抽注水多層同心球中子譜儀手機控制APP設(shè)計

周紀(jì)森，許 潔

（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

0 引 言

中子能譜測量在輻射防護領(lǐng)域有著重要意義，有利于獲得環(huán)境中的中子劑量，是進行中子輻射防護的基礎(chǔ)。多球中子譜儀由于具有各向同性響應(yīng)、測量范圍廣、易操作等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于中子能譜測量活動中。本課題組自主研發(fā)的具有5層同心空隙的抽注水多層同心球中子譜儀[1-5]采用水作為主要慢化材料，通過控制5層間隙抽水和注水組合出32種不同厚度的慢化水層，通過水層厚度與中心探測器測量中子計數(shù)之間的關(guān)系反演出中子能譜。

課題組已對抽注水多層同心中子譜儀系統(tǒng)開展了一系列的研究，黃紅等人[6]完成了譜儀的理論模擬和結(jié)構(gòu)設(shè)計；劉志和馮晨等人[7-8]設(shè)計了抽注水系統(tǒng)，通過USB通信實現(xiàn)了PC端控制譜儀的抽注水；穆克亮等人[9]設(shè)計了單泵抽注水裝置，并計算出水層組合的最優(yōu)方案，提升了系統(tǒng)工作效率；?？礫10]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法開展了中子能譜反演研究；喬宇潔[11]開展了譜儀周圍劑量當(dāng)量校正模型研究；張燦[12]通過遺傳算法優(yōu)化球?qū)映樽⑺袚Q方案，節(jié)省了測量時間。但對該譜儀配套的手機端控制軟件尚缺乏相關(guān)研究。因此，本文基于Android Studio 4.2 平臺設(shè)計開發(fā)了抽注水多層同心球中子譜儀控制助手APP（以下簡稱“控制助手APP”），通過手機控制下位機，實現(xiàn)對抽注水多層同心球中子譜儀中的球?qū)涌刂啤@示和設(shè)備管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示控制助手APP采用三層架構(gòu)設(shè)計，包括界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。界面層負(fù)責(zé)建立APP與用戶之間的良好交互；業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)控制助手APP的功能；數(shù)據(jù)訪問層則進行數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作，處理APP運行產(chǎn)生的用戶信息、指令碼和日志信息等。

圖1 控制助手APP整體架構(gòu)

2 功能設(shè)計

2.1 功能模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)和實際需要，控制助手APP主要包括用戶管理模塊、水層管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、設(shè)備監(jiān)控模塊和系統(tǒng)設(shè)置模塊共5個模塊，其具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制助手APP功能模塊

2.1.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊負(fù)責(zé)用戶的注冊、登錄和注銷等相關(guān)操作。在用戶注冊時，將用戶信息保存至SQL Server數(shù)據(jù)庫和SQLite數(shù)據(jù)庫中，密碼采用“MD5”方式加密保存，增加了用戶信息的安全性。同時，設(shè)置用戶注銷功能，便于用戶退出當(dāng)前用戶賬號，返回登錄界面切換賬號。此外，為了防止用戶因遺忘密碼而無法登錄，設(shè)置“密碼找回”功能，用戶通過回答注冊時設(shè)置的密保問題找回用戶密碼。系統(tǒng)以用戶名作為依據(jù)，對多球譜儀的運行數(shù)據(jù)進行分類管理。因此，用戶需要完成賬號注冊和登錄后才能使用控制助手APP。

2.1.2 水層管理模塊

水層管理是控制助手APP的核心功能，用戶可以根據(jù)不同需求靈活選擇單層控制或組合控制，其中單層控制表示一次發(fā)送一個球?qū)拥某樗蜃⑺僮鞯目刂浦噶畹较挛粰C；組合控制表示依次自動發(fā)送用戶制定的多個球?qū)拥某樗蜃⑺僮鞯目刂浦噶畹较挛粰C。下位機根據(jù)指令自動完成一個或多個球?qū)拥某樗蜃⑺僮?。在抽水和注水的過程中，在控制助手APP界面實時顯示當(dāng)前抽水或注水的時長、流量大小、球?qū)拥囊何灰约捌渌O(shè)備工作信息，便于用戶直觀了解譜儀狀態(tài)。

2.1.3 設(shè)備監(jiān)控模塊

設(shè)備監(jiān)控模塊可以查看譜儀相關(guān)功能部件的運行狀態(tài)信息，以便用戶實時監(jiān)控譜儀相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)。系統(tǒng)自動解析功能部件的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷設(shè)備是否發(fā)生故障，若發(fā)生故障，APP啟動緊急停止功能，并通知用戶處理該故障，同時也為用戶提供故障診斷依據(jù)。

2.1.4 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)設(shè)置APP數(shù)據(jù)顯示格式等相關(guān)參數(shù)、連接目標(biāo)WiFi、日志管理等。其中日志信息包含了用戶的登錄信息、譜儀操作信息和參數(shù)更改記錄等。

2.1.5 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)處理用戶使用控制助手APP產(chǎn)生的指令碼、操作記錄、組合方案等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在控制助手界面上。數(shù)據(jù)保存在SQL Server和SQLite兩個數(shù)據(jù)庫中，其中SQL Server為遠(yuǎn)程服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)備份；SQLite為本地數(shù)據(jù)庫，用于存儲實時數(shù)據(jù)。安裝控制助手APP后，每次啟動時會自動進行數(shù)據(jù)同步，檢測該用戶在SQL Server數(shù)據(jù)庫與SQLite數(shù)據(jù)庫內(nèi)的操作日志、控制方案等數(shù)據(jù)是否存在差異，若存在則根據(jù)SQL Server數(shù)據(jù)庫進行同步，避免用戶因手機損壞等意外以及使用多個手機進行譜儀控制操作而導(dǎo)致的本地數(shù)據(jù)缺失。

2.2 系統(tǒng)工作流程

控制助手APP的運行流程如圖3所示。用戶注冊賬號后登錄APP，進入APP后用戶可以在側(cè)滑頁中設(shè)置數(shù)據(jù)顯示格式等相關(guān)參數(shù)，并輸入IP和端口號連接目標(biāo)WiFi。在連接目標(biāo)WiFi后，用戶可以在主界面中選擇水層管理、設(shè)備管理和歷史記錄等功能進行操作。

圖3 控制助手APP工作流程

3 關(guān)鍵功能實現(xiàn)

3.1 多線程開發(fā)

使用Android開發(fā)應(yīng)用時，將消耗時間過長的任務(wù)放置于主線程中會導(dǎo)致應(yīng)用的運行速度和響應(yīng)速度變慢[13]，因此在控制助手APP中使用Thread類和Runnable接口兩種方式進行多線程開發(fā)，將數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)庫連接和數(shù)據(jù)庫操作等耗時長的任務(wù)放入子線程的run（）方法中，主線程根據(jù)需要調(diào)用start（）方法啟動子線程執(zhí)行操作。若子線程需要更改系統(tǒng)UI，可以通過Handler實現(xiàn)與主線程之間的消息傳遞，完成系統(tǒng)UI更改。其中，子線程調(diào)用Handler.sendMessage（）方法將消息傳遞給主線程，主線程通過識別不同的Message.what和Message.obj對象內(nèi)容，執(zhí)行相應(yīng)操作。

3.2 水層管理

用戶在主界面中利用單選按鈕組選擇某一球?qū)映樗蜃⑺δ芎笊晒δ苤噶畲a，APP將功能指令碼發(fā)送到下位機實現(xiàn)單層控制。用戶若需要一次性完成多個球?qū)拥目刂?，需要在組合方案置頂界面制定方案后，點擊“組合控制”按鈕啟動組合控制功能；此時，APP根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷下位機是否正在執(zhí)行指令操作。若正在執(zhí)行指令操作，則等待完成；若下位機為空閑狀態(tài)，則發(fā)送控制指令到下位機。如此循環(huán)直至組合方案的指令全部發(fā)送，則完成組合控制。

控制助手APP在發(fā)送控制指令到下位機前會檢測數(shù)據(jù)庫中當(dāng)前指令所控制球?qū)拥臓顟B(tài)，若為目標(biāo)狀態(tài)則彈出提示語并取消發(fā)送該控制指令，反之則將控制指令發(fā)送至下位機，防止用戶對某球?qū)舆M行連續(xù)注水或抽水等操作。下位機完成一條控制指令操作后發(fā)送球?qū)拥淖钚聽顟B(tài)信息給APP，APP識別反饋信息后將所操作球?qū)拥淖钚聽顟B(tài)與預(yù)期狀態(tài)比較，若與預(yù)期狀態(tài)不一致則表示存在故障，需要及時進行檢查維修。

進行球?qū)映樽⑺刂撇僮鲿r，控制助手APP解析接收的數(shù)據(jù)并得到下位機發(fā)送的霍爾流量計脈沖信號的頻率；根據(jù)流量計輸出脈沖頻率與流量之間的關(guān)系，并結(jié)合抽注水多層同心球中子譜儀實際抽注水情況進行校正，得到抽水或注水時的水流流量。同時，調(diào)用Date類對象獲取開始工作和完成工作的時間，計算得到球?qū)映樗?、注水工作時間，并結(jié)合流量大小獲得球?qū)觾?nèi)的液體體積，將相關(guān)信息在主界面中實時顯示。

3.3 WiFi通信

WiFi通信模式分為客戶端模式和服務(wù)器模式，這兩種模式通過繼承Thread類封裝成TCP_Client和TCP_Server兩個線程，在線程內(nèi)采用Socket通信實現(xiàn)控制助手APP與WiFi模塊之間的通信。以用戶選擇客戶端通信模式為例，輸入目標(biāo)的IP和端口號，點擊“連接”按鈕對IP和端口號進行判斷，若正確則啟動相應(yīng)線程，連接目標(biāo)WiFi；若錯誤則彈出提示語。成功建立WiFi通信后，通過調(diào)用Socket的getInputStream.read（）方法獲取輸入流接收數(shù)據(jù)，調(diào)用getOutputStream.write（）方法獲取輸出流發(fā)送數(shù)據(jù)。同時，設(shè)置setWifiNeverSleep（）函數(shù)，修改手機WiFi設(shè)置選項，防止測量時間過長導(dǎo)致WiFi進入休眠狀態(tài)和斷開連接。

4 系統(tǒng)測試

將控制助手APP的API級別設(shè)置為21，保證控制助手APP可以在Android 5.0及以上版本的安卓智能手機上運行?？刂浦諥PP在調(diào)試無誤后生成apk文件進行相關(guān)測試。

4.1 UI測試和兼容性測試

在優(yōu)測云服務(wù)平臺選擇兼容性測試和云真機項目進行在線測試。測試設(shè)備選擇兩種：（1）HUAWEI YAL-AL10型手機：運行內(nèi)存為8.0 GB，存儲為128 GB，處理器為HUAWEI Kirin 980，系 統(tǒng) 為 HarmonyOS 2.00；（2）HUAWEI TASAN00型手機：運行內(nèi)存為8.0 GB，存儲為256 GB，處理器為HUAWEI Kirin 990 5G，系統(tǒng)為HarmonyOS 2.00。

測試結(jié)果顯示，控制助手APP可以在Android 5.0及以上版本的多種型號手機上流暢運行，無閃退和卡頓等現(xiàn)象；界面布局合理，人機交互友好，能夠適應(yīng)不同屏幕尺寸的手機。

4.2 用戶管理

打開控制助手APP，首先會出現(xiàn)帶有抽注水多層同心球中子譜儀logo的圖片，持續(xù)1 s后進入APP登錄界面，若用戶尚未注冊則進入注冊界面完成注冊。用戶在登錄界面輸入賬號和密碼后，APP進行識別。若正確則進入主界面，若存在錯誤則會在錯誤位置顯示紅色錯誤標(biāo)志，點擊錯誤標(biāo)志顯示錯誤提示。若用戶遺忘了密碼，點擊“忘記密碼”后跳轉(zhuǎn)至密碼找回界面，輸入賬號和賬號密保問題的正確答案后，系統(tǒng)提示“答案正確，該賬號密碼如下”即可找回密碼。

4.3 譜儀球?qū)涌刂茰y試

為檢驗控制助手APP是否滿足譜儀球?qū)涌刂埔?，對控制助手APP進行譜儀球?qū)映樽⑺刂茖嶒灐嶒炘O(shè)備有抽注水多層同心球中子譜儀一臺、HUAWEI YAL-AL10型手機一臺、控制箱一個、USR-W610 WiFi模塊一個、水箱一個、透明軟管若干以及相關(guān)線纜。

模擬中子測量時的測量環(huán)境，將抽注水多層同心球中子譜儀放置于實驗室內(nèi)距離門2 m位置處，把控制箱放置于譜儀旁邊，控制箱通過透明軟管連接抽注水多球同心球中子譜儀。連接完成并檢查正確性后接通電源。USR-W610 WiFi模塊作為服務(wù)器創(chuàng)建名稱為“USR-W610-49D8”的WiFi信號，測試現(xiàn)場如圖4所示。

使用HUAWEI YAL-AL10型手機安裝控制助手APP，登錄APP后連接名稱為“USR-W610-49D8”的WiFi信號，開始測試。

首先進行單層控制測試。在主界面中依次選擇“注水+第一層”“注水+第二層”“注水+第三層”“注水+第四層”“注水+第五層”和“注水+所有層”功能，將控制指令發(fā)送到下位機；下位機接收到控制指令后，可以控制控制箱內(nèi)的水泵和電磁閥完成指定球?qū)幼⑺僮?。然后依次選擇“抽水+第一層”“抽水+第二層”“抽水+第三層”“抽水+第四層”“抽水+第五層”和“抽水+所有層”功能，將控制指令發(fā)送到下位機，下位機接收到控制指令后，可以控制控制箱內(nèi)的水泵和電磁閥完成指定球?qū)映樗僮鳌＿x擇“取消”功能，可以控制下位機停止當(dāng)前操作。

控制助手APP工作時，在主界面中可以實時顯示譜儀的狀態(tài)，主界面如圖5所示。主界面采用約束布局[14]，可以適應(yīng)不同屏幕尺寸的智能手機。界面上方顯示譜儀5個球?qū)拥囊何恍畔?、?dāng)前操作項目和譜儀相關(guān)的設(shè)備信息。界面中間顯示發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其中文字是指令碼的注解。界面下方的5個指示燈顯示譜儀的各個球?qū)訝顟B(tài)，其中綠色常亮表示該球?qū)油瓿勺⑺僮?，綠色閃爍表示該球?qū)诱谶M行注水操作，紅色常亮表示該球?qū)油瓿沙樗僮?，紅色閃爍表示該球?qū)诱谶M行抽水操作，灰色表示該球?qū)游催M行任何操作。

圖5 控制助手APP主界面

進行組合控制測試。在主界面點擊“方案定制”跳轉(zhuǎn)方案制定界面，根據(jù)最優(yōu)球?qū)咏M合順序制定控制方案。方案制定完成后，點擊“應(yīng)用”按鈕返回主界面，點擊“組合控制”按鈕啟動組合控制功能。當(dāng)下位機空閑時，APP可以自動發(fā)送控制指令到下位機，下位機能夠執(zhí)行相應(yīng)操作；當(dāng)下位機繁忙時，APP則會等待，直至方案的所有控制操作全部完成。

測試結(jié)果表明，控制助手APP可以通過WiFi通信建立與下位機之間的通信，發(fā)送控制指令至下位機，下位機接收后可以執(zhí)行指定操作；下位機發(fā)送譜儀狀態(tài)信息至控制助手APP，經(jīng)過解析后可以在主界面上實時顯示譜儀和流量計等設(shè)備的狀態(tài)；組合控制功能實現(xiàn)了球?qū)幼詣踊袚Q，減輕了操作人員的工作量。控制助手APP滿足了手機端控制譜儀球?qū)映樽⑺捅O(jiān)測譜儀狀態(tài)的功能需求。

4.4 性能測試

控制助手APP的核心功能是控制譜儀球?qū)舆M行抽水或注水作業(yè)，其響應(yīng)時間直接影響著用戶體驗。因此以用戶開始發(fā)送控制指令后等待下位機返回反饋信息的響應(yīng)時間作為性能衡量標(biāo)準(zhǔn)，并與目前使用電腦USB通信方式控制的響應(yīng)時間進行比較。測試以控制譜儀的第一層球?qū)舆M行注水操作為目標(biāo)，分別使用控制助手APP和電腦重復(fù)測量5次響應(yīng)時間，取平均值為最終數(shù)據(jù)。

由表1測試結(jié)果可知，使用控制助手APP控制譜儀的平均響應(yīng)時間為5.90 s，使用電腦控制譜儀的平均響應(yīng)時間為5.89 s，兩者基本相同。故控制助手APP能夠滿足手機端控制譜儀球?qū)映樽⑺男阅苄枨蟆?/p>

表1 響應(yīng)時間測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文基于Android Studio 4.2平臺開發(fā)出抽注水多層同心球中子譜儀控制助手APP，設(shè)計了用戶管理、水層管理、數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理和系統(tǒng)設(shè)置共5個功能模塊，使用約束布局完成了APP界面設(shè)計，采用多線程技術(shù)實現(xiàn)了WiFi通信、單層控制、組合控制、譜儀狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)庫操作等功能；結(jié)合遠(yuǎn)程SQL Server數(shù)據(jù)庫和本地SQLite數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了用戶管理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)備份功能，通過WiFi通信實現(xiàn)了與下位機的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)測試，控制助手APP可以在Android 5.0及以上版本的多種型號的手機上流暢運行，界面布局合理，人機交互友好；APP提供了組合控制功能，實現(xiàn)球?qū)幼詣踊袚Q，提升了操作的便捷性?？刂浦諥PP較好地滿足了手機端控制譜儀的球?qū)映樽⑺墓δ芎托阅苄枨?，進一步完善了抽注水多層同心球中子譜儀系統(tǒng)。