齊繼陽，孟 洋，李金燕，王凌云

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003）

近年來，由于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，安卓移動設(shè)備已成為人們生活中密不可分的必需品，尤其是基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)和平板電腦，擁有非常大的市場占有率。利用這些裝有安卓系統(tǒng)的手機(jī)或平板電腦對目標(biāo)物體進(jìn)行監(jiān)控，既保證了監(jiān)控過程的連續(xù)性與方便性，又具有低成本和普遍性的特點(diǎn)，代表著未來監(jiān)控系統(tǒng)平臺的發(fā)展方向[1-2]。

目前，嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]中基于安卓手機(jī)平臺和GPRS通信技術(shù)的水質(zhì)參數(shù)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對水位、溫度、PH值和溶氧等水質(zhì)參數(shù)信息的遠(yuǎn)程采集、存儲與管理，并且實(shí)現(xiàn)對控制節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制；文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種便攜的基于安卓平臺的腦-心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由腦-心電模塊、WiFi模塊、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測模塊和醫(yī)療服務(wù)器組成，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)人群腦電、心電的遠(yuǎn)程監(jiān)控。從這些應(yīng)用實(shí)例可看出，嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)已被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，并取得顯著效果。

1 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)簡介

嵌入式系統(tǒng)是如今最熱門的概念之一。根據(jù)英國電氣工程師協(xié)會 （U.K.Institution of Electrical Engineer）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計的專用計算機(jī)系統(tǒng)”。嵌入式系統(tǒng)與通用計算機(jī)系統(tǒng)不同，它通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)[5]。由于嵌入式系統(tǒng)只是針對一項(xiàng)特殊的任務(wù)，故通常進(jìn)行大量生產(chǎn)以降低單個成本。將嵌入式系統(tǒng)靈活地運(yùn)用在監(jiān)控系統(tǒng)中，形成如今非常普及的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of embedded monitoring system

嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)由監(jiān)控終端、上位機(jī)、下位機(jī)和輸入、輸出元件4大部分組成。本文將針對安卓手機(jī)或平板電腦作為監(jiān)控終端，對嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)方式進(jìn)行具體說明。

2 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)方式

本文針對嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，介紹了4種基于安卓移動設(shè)備的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法。

2.1 PLC作為嵌入式Web服務(wù)器

以PLC作為嵌入式Web服務(wù)器，操作人員可通過Web頁面直接訪問PLC內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)。借助這些Web頁面，安卓移動設(shè)備可通過自帶的Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)對PLC內(nèi)信息的訪問[6]。下面針對PLC作為嵌入式Web服務(wù)器開發(fā)方式進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)概述。

如圖2所示，描述了典型的以安卓移動設(shè)備作為監(jiān)控終端，PLC作為嵌入式Web服務(wù)器的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架。該系統(tǒng)主要由安卓移動設(shè)備（安卓手機(jī)、安卓平板電腦等）、路由器、PLC、輸入元器件（如角度傳感器、溫度傳感器等）、輸出元器件（如電機(jī)、繼電器等）等硬件組成。

圖2 PLC作為嵌入式Web服務(wù)器的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of monitoring system using a PLC as an embedded web server

在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的監(jiān)測由安卓手機(jī)或者安卓平板電腦執(zhí)行。通常，安卓智能手機(jī)具有很高的CPU配置、大容量的ROM和RAM，保證了監(jiān)控過程和數(shù)據(jù)存儲過程的穩(wěn)定性。在此監(jiān)控系統(tǒng)中，路由器為普通路由器，但對于PLC有具體的性能要求，所選用的PLC必須具有作為嵌入式Web服務(wù)器的功能（如西門子S7-1200系列PLC），才能使操作人員通過Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)對PLC的直接訪問，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。當(dāng)安卓手機(jī)或者安卓平板電腦處于有網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以通過自帶的Web瀏覽器訪問作為服務(wù)器端的PLC，實(shí)現(xiàn)對PLC信息的訪問和現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

以西門子S7-1200系列的PLC為例，針對S7-1200系列的PLC作為Web服務(wù)器的開發(fā)方式具體設(shè)計思路如下：

（1）首先進(jìn)行硬件連接，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示；

（2）使用 HTML 編輯器（如 Microsoft Frontpage）創(chuàng)建HTML頁面；

（3）使用西門子PLC專用編程軟件STEP7進(jìn)行組態(tài)，并讀取和處理HTML頁面；

（4）基于HTML頁面生成程序塊；

（5）對STEP7進(jìn)行編程設(shè)計，用來控制 HTML頁面的使用；

（6）使用STEP7開啟PLC的Web服務(wù)器功能，設(shè)置PLC的IP地址，并將編譯好的程序塊下載到PLC中；

（7）通過安卓移動設(shè)備即可訪問PLC內(nèi)自定義的Web頁面，實(shí)現(xiàn)對PLC的監(jiān)控。

當(dāng)完成了如上的設(shè)計步驟之后，用戶可以使用安卓移動設(shè)備的瀏覽器訪問S7-1200服務(wù)器端的Web控制頁面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的如下操作：

·改變現(xiàn)場設(shè)備的工作模式（STOP和RUN）；

·改變現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)（速度、時間、方式等）；

·讀取現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)；

·對現(xiàn)場設(shè)備設(shè)置報警通知等。

在以PLC作為嵌入式Web服務(wù)器的開發(fā)方式中，安卓移動設(shè)備作為上位機(jī)和監(jiān)控終端的集合體，PLC作為下位機(jī)，安卓移動設(shè)備可以通過自帶的Web瀏覽器訪問目標(biāo)PLC的嵌入式服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制，操作人員無需在現(xiàn)場就可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 觸摸屏作為嵌入式Web服務(wù)器

以觸摸屏作為嵌入式Web服務(wù)器，操作人員可以通過Web瀏覽器來訪問觸摸屏，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問。通過訪問這些Web頁面，可實(shí)現(xiàn)通過安卓移動設(shè)備訪問觸摸屏的嵌入式服務(wù)器，再通過觸摸屏來實(shí)現(xiàn)對PLC的操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。下面針對觸摸屏作為嵌入式Web服務(wù)器開發(fā)方式進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)概述。

如圖3所示，描述了典型的以安卓移動設(shè)備作為監(jiān)控終端，觸摸屏作為嵌入式Web服務(wù)器的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架。該系統(tǒng)由安卓移動設(shè)備、路由器、觸摸屏、PLC、輸入元器件、輸出元器件等組成。

圖3 觸摸屏作為嵌入式Web服務(wù)器的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware architecture of monitoring system using touch panel as the embedded Web server

在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的監(jiān)測由安卓手機(jī)或安卓平板電腦執(zhí)行。在此監(jiān)控系統(tǒng)中，路由器為普通的路由器，PLC同樣為普通的PLC，無特殊要求。但是對于觸摸屏有具體的性能要求，所使用的觸摸屏必須具有作為嵌入式Web服務(wù)器的功能（如施耐德MagelisXBTGT系列觸摸屏），操作人員通過Web瀏覽器對觸摸屏的嵌入式服務(wù)器進(jìn)行訪問，間接實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。當(dāng)安卓手機(jī)或安卓平板電腦處于有網(wǎng)絡(luò)的情況下，用戶可通過安卓移動設(shè)備自帶的Web瀏覽器訪問觸摸屏的嵌入式服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對PLC的控制，間接實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

以施耐德MagelisXBTGT系列觸摸屏為例，針對施耐德MagelisXBTGT系列觸摸屏作為Web服務(wù)器的具體設(shè)計思路如下：

（1）首先進(jìn)行硬件連接，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示；

（2）編寫PLC程序，并下載到PLC中；

（3）使用Vijeo-Designer組態(tài)軟件設(shè)定觸摸屏的IP地址，并開啟數(shù)據(jù)共享功能；

（4）使用Vijeo-Designer編寫觸摸屏程序，設(shè)置程序中變量的共享屬性，并將程序下載到觸摸屏內(nèi)；

（5）調(diào)試觸摸屏與PLC之間的通訊，確保程序的準(zhǔn)確性；

（6）通過接入網(wǎng)絡(luò)的安卓移動設(shè)備即可訪問觸摸屏內(nèi)的Web控制頁面，間接實(shí)現(xiàn)對PLC的監(jiān)控。使用手機(jī)瀏覽器訪問觸摸屏的嵌入式Web服務(wù)器所顯示的控制界面。

當(dāng)完成了如上設(shè)計步驟后，用戶可使用安卓移動設(shè)備的瀏覽器訪問MagelisXBTGT系列觸摸屏服務(wù)器端的Web控制頁面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的操作。通過此Web頁面對現(xiàn)場設(shè)備的操作與PLC作為嵌入式Web服務(wù)器對現(xiàn)場設(shè)備的操作相同。

在觸摸屏作為嵌入式Web服務(wù)器的開發(fā)方式中，PLC作為下位機(jī)，觸摸屏作為上位機(jī)，安卓移動設(shè)備作為監(jiān)控終端。安卓移動可通過自帶的Web瀏覽器訪問所要監(jiān)控觸摸屏的嵌入式服務(wù)器，操作人員無需在現(xiàn)場就可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.3 基于VNC的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)

VNC（virtual network computing）是虛擬網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)的縮寫，是一種使用RFB（remote frame buffer）協(xié)議的屏幕畫面分享及遠(yuǎn)程操作軟件。此軟件借助網(wǎng)絡(luò)，可傳送鍵盤與鼠標(biāo)的動作及實(shí)時的屏幕畫面。VNC系統(tǒng)由客戶端、服務(wù)器端和一個協(xié)議組成，其服務(wù)器端分享其所運(yùn)行機(jī)器的屏幕，服務(wù)器端被動地允許客戶端控制它，而VNC客戶端控制服務(wù)器端[7]。VNC與操作系統(tǒng)無關(guān)，因此可跨平臺使用。下面針對VNC開發(fā)方式進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)概述。

如圖4所示，描述了典型的以安卓移動設(shè)備作為監(jiān)控終端，基于VNC的鍵入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架。該系統(tǒng)由安卓移動設(shè)備、路由器、上位機(jī)（如IPC、觸摸屏等）、下位機(jī)（如 PLC、單片機(jī)等）、輸入元器件、輸出元器件組成。

圖4 基于VNC的鍵入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架Fig.4 Hardware architecture of monitoring system based on VNC

在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的監(jiān)測由安卓手機(jī)或者安卓平板電腦執(zhí)行。此監(jiān)控系統(tǒng)中，路由器為普通的路由器，上位機(jī)（如PC機(jī)或觸摸屏）必須具有能夠接入局域網(wǎng)的功能，PLC也無特殊要求。但是此種開發(fā)方式要求所使用的安卓移動平臺必須裝有VNC客戶端，才能使安卓移動設(shè)備通過VNC客戶端訪問上位機(jī)，顯示上位機(jī)的操作界面，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

以步科MT4414系列的觸摸屏作為VNC服務(wù)器端，安卓移動設(shè)備作為VNC客戶端為例，針對觸摸屏MT4414TE觸摸屏的VNC開發(fā)方式具體設(shè)計思路如下：

（1）首先進(jìn)行硬件連接，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示；

（2）編寫PLC程序，并下載到PLC中；

（3）使用HMIware組態(tài)軟件設(shè)定觸摸屏的IP地址；

（4）使用HMIware組態(tài)軟件編寫觸摸屏程序，并下載到觸摸屏內(nèi)；

（5）調(diào)試觸摸屏與PLC之間的通訊，確保程序的準(zhǔn)確性；

（6）安裝手機(jī)VNC客戶端，通過在接入網(wǎng)絡(luò)的安卓移動設(shè)備VNC客戶端中輸入觸摸屏對應(yīng)的IP地址，即可訪問觸摸屏的操作界面，從而實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的監(jiān)控。

當(dāng)完成了如上的設(shè)計步驟之后，用戶可使用安卓移動設(shè)備的VNC的客戶端對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作，其具體操作方式和PLC作為嵌入式Web服務(wù)器方法中的操作方式相同。

在基于VNC的鍵入式監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)方式中，PLC作為下位機(jī)，觸摸屏作為上位機(jī)，安卓移動設(shè)備作為監(jiān)控終端。安卓移動設(shè)備可通過VNC客戶端輸入對應(yīng)的IP地址訪問目標(biāo)觸摸屏，操作人員無需在現(xiàn)場就可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.4 安卓監(jiān)控系統(tǒng)APP的開發(fā)

APP是英文Application的簡稱，由于近年來安卓智能手機(jī)的流行，現(xiàn)在的APP多指智能手機(jī)的第三方應(yīng)用程序。因此可開發(fā)用于監(jiān)控系統(tǒng)的安卓APP，使用所開發(fā)的安卓APP對目標(biāo)對象實(shí)現(xiàn)監(jiān)控[8]。下面針對APP開發(fā)方式進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)概述。

如圖5所示，描述了典型的以安卓移動設(shè)備作為上位機(jī)和監(jiān)控終端，應(yīng)用安卓APP開發(fā)方式的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架。該系統(tǒng)由安卓移動設(shè)備、路由器、PLC（或其它下位機(jī)）、輸入元器件、輸出元器件組成。

圖5 使用安卓APP的監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware architecture of monitoring system based on Android APP

在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的監(jiān)測由安卓手機(jī)或者安卓平板電腦執(zhí)行。監(jiān)控系統(tǒng)中的路由器為普通的路由器，所選取的PLC必須能夠接入網(wǎng)絡(luò)，對輸入、輸出元件無特殊要求。但是此種開發(fā)方式要求所使用的安卓移動平臺必須裝有所開發(fā)的APP應(yīng)用程序，才能使安卓移動設(shè)備通過IP地址訪問下位機(jī)，從而通過APP應(yīng)用程序直接對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

通常，用于監(jiān)控系統(tǒng)安卓APP的開發(fā)方式是多種多樣的，在這里主要舉出2種比較廣泛運(yùn)用的監(jiān)控系統(tǒng)APP開發(fā)方式。一種是基于安卓應(yīng)用程序開發(fā)平臺，運(yùn)用Java或C++等語言開發(fā)用于監(jiān)控系統(tǒng)的安卓APP；另一種是基于組態(tài)軟件，運(yùn)用組態(tài)軟件（如mySCADA）開發(fā)用于監(jiān)控系統(tǒng)的安卓APP。

以mySCADA為平臺開發(fā)安卓APP應(yīng)用程序?yàn)槔?，安卓移動設(shè)備作為APP應(yīng)用程序的載體，針對安卓APP開發(fā)方式具體設(shè)計思路如下：

（1）首先進(jìn)行硬件連接，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示；

（2）編寫PLC程序，并下載到PLC中；

（3）使用mySCADA軟件開發(fā)用于監(jiān)控系統(tǒng)的安卓APP；

（4）在安卓移動設(shè)備上安裝監(jiān)控系統(tǒng)APP；

（5）調(diào)試安卓移動設(shè)備與PLC之間的通訊，使用所開發(fā)的APP進(jìn)行監(jiān)控。如圖6所示，安卓移動設(shè)備上運(yùn)行mySCADA所開發(fā)的APP控制界面[9]。當(dāng)完成了如上的設(shè)計步驟之后，用戶可使用所開發(fā)的安卓APP客戶端對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作，其具體操作方式和PLC作為嵌入式Web服務(wù)器方法中的操作方式相同。

圖6 基于mySCADA開發(fā)的安卓APPFig.6 Android APP developed by mySCADA

在手機(jī)APP的開發(fā)方式中，PLC作為下位機(jī)，安卓移動設(shè)備作為上位機(jī)和監(jiān)控終端。安卓移動設(shè)備可通過APP客戶端訪問對應(yīng)IP地址的PLC，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)PLC的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.5 開發(fā)方式比較

以上4種嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)方式，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其比較如表1所示。

表1 四種開發(fā)方式比較Tab.1 Comparison of four development methods

3 結(jié)語

本文闡述了4種基于安卓平臺的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)方法，4種開發(fā)方法都是基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，對現(xiàn)場設(shè)備的操作方式基本相同。當(dāng)使用PLC作為嵌入式Web服務(wù)器或安卓APP這2種開發(fā)方法時，PLC作為安卓移動設(shè)備訪問信息的載體。當(dāng)使用觸摸屏作為嵌入式Web服務(wù)器或使用VNC這2種開發(fā)方法時，觸摸屏作為安卓移動設(shè)備訪問信息的載體。不論所訪問信息的載體是PLC還是觸摸屏，最終都是可以通過終端的安卓移動設(shè)備對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問與監(jiān)視。

[1]Kang Jungmuk，Yoo Sungil，Dongik.Development of a portable embedded patient monitoring system[J].International Journal of Multimedia and Ubiquitous Engineering，2013，8（6）：141-150.

[2]萬相奎，丁建平，秦樹人.嵌入式系統(tǒng)及其典型開發(fā)模式[J].重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，27（2）：16-19.

[3]崇慶峰，劉星橋，宦娟，等.基于Android和GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2013，40（6）：24-29.

[4]梁振虎，古悅，楊春林，等.基于安卓平臺的腦-心電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2014，33（6）：91-94.

[5]何立民.嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展歷史[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（1）：6-8.

[6]SIEMENS.S7-1200可編程控制器系統(tǒng)手冊[Z].2014

[7]劉奎恩，王青，淮曉永.一種基于VNC的智能應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2004（9）：131-134.

[8]Lian Kuang-Yow，Hsiao Sung-Jung，Sung Wen-Tsai.Mobile monitoring and embedded control system for factory environment[J].Sensors，2013，13（12）：17379-17413.

[9]蘇州庫德萊茲自動化技術(shù)有限公司.全新一代組態(tài)軟件[EB/OL].（2014-12-28]）.http：//www.coderise.cn/product/myscada-mobile/portfolioID=740.