羅 企，于 東，胡 毅，陸小虎，房 超，劉 韻

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所 高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽 110168；3.沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽 110168）

基于Android移動(dòng)終端的車間管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

羅 企1，2，于 東2，3，胡 毅2，3，陸小虎1，2，房 超1，2，劉 韻1，2

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所 高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽 110168；3.沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽 110168）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)車間管理模式已經(jīng)不能適應(yīng)制造技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化制造的出現(xiàn)，使得車間管理開始向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。另一方面，隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及和4G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景，于是基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)又掀起了一陣強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。用戶希望能夠使用智能移動(dòng)終端在任何時(shí)候、任何地方都可以處理一些工作事務(wù)，而并不僅僅是依靠電腦。文章設(shè)計(jì)了一種基于Android的車間管理系統(tǒng)，通過Android移動(dòng)終端，結(jié)合信息推送等相關(guān)技術(shù)，對(duì)車間生產(chǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

智能移動(dòng)終端；Android平臺(tái)；車間管理；信息推送

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代制造企業(yè)都加大信息化的發(fā)展，制造業(yè)趨于智能化，網(wǎng)絡(luò)化和集成化［1］。在企業(yè)信息化建設(shè)進(jìn)程中，車間生產(chǎn)制造的信息化一直是最薄弱的環(huán)節(jié)，企業(yè)非常關(guān)注生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、提高生產(chǎn)排產(chǎn)的效率、實(shí)現(xiàn)制造過程的可追溯等問題。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的車間監(jiān)控與管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，旨在幫助企業(yè)客戶提高車間信息化能力，優(yōu)化生產(chǎn)管理模式，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

另一方面，以智能手機(jī)和平板電腦為代表的智能移動(dòng)終端不斷智能化，它們的應(yīng)用變得廣泛［3］。移動(dòng)終端逐漸演變成了用戶的移動(dòng)數(shù)據(jù)中心，多媒體中心和網(wǎng)絡(luò)中心［10］，這就使得人們所希望的隨時(shí)、隨地辦公成為了現(xiàn)實(shí)。

本文以Android系統(tǒng)為平臺(tái)，提出一種基于Android移動(dòng)終端的車間管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車間的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控管理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車間管理者希望能夠獲得整個(gè)車間機(jī)床運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況，所以服務(wù)器必須實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。如圖1所示，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器實(shí)時(shí)采集機(jī)床的各項(xiàng)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。而車間管理者通過智能移動(dòng)終端，進(jìn)行相應(yīng)的登陸認(rèn)證，可以通過數(shù)據(jù)管理服務(wù)器獲得相應(yīng)的參數(shù)，從而實(shí)時(shí)掌握整個(gè)車間的運(yùn)行狀況。而代理服務(wù)器將一些安全預(yù)警信息實(shí)時(shí)推送到智能終端上，使整套方案具備更高的智能性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的功能是連接整個(gè)車間的數(shù)控設(shè)備，獲取它們的實(shí)時(shí)狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以一定的格式封裝好發(fā)送給數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。為了滿足車間管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的需求，這就使得數(shù)據(jù)采集端具有高實(shí)時(shí)性和高并發(fā)性的特點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)管理服務(wù)器

數(shù)據(jù)管理服務(wù)器的一個(gè)功能在于將采集端采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，并且使數(shù)據(jù)庫能夠被遠(yuǎn)程終端訪問。由于數(shù)據(jù)庫維護(hù)著整個(gè)系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息又存放在數(shù)據(jù)庫中的不同表之間，因此對(duì)于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)化為了對(duì)表的設(shè)計(jì)。表設(shè)計(jì)的合理性，直接影響到了系統(tǒng)的工作效率，在表能覆蓋所有需要的信息的同時(shí)，還要能清楚的反應(yīng)表之間的聯(lián)系。

另一方面，對(duì)于獲取的一些特殊數(shù)據(jù)，比如設(shè)備的故障、停止運(yùn)行等，將它們經(jīng)過特定格式的封裝后，發(fā)送給代理服務(wù)器，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)車間一些重要信息的實(shí)時(shí)推送，以達(dá)到預(yù)警的作用。

1.3 代理服務(wù)器

代理服務(wù)器message broker的主要功能是實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)推送［2］，即根據(jù)用戶的需求設(shè)定，把相應(yīng)的消息及時(shí)推送到智能移動(dòng)終端。代理服務(wù)器連接智能移動(dòng)終端和數(shù)據(jù)管理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)發(fā)布或訂閱功能，是整個(gè)車間管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)推送功能最重要的一個(gè)部分。

1.4 客戶端

客戶端基于Android平臺(tái)，可以運(yùn)行在相應(yīng)的智能移動(dòng)終端上。用戶安裝客戶端，并進(jìn)行相應(yīng)的登陸認(rèn)證后，就可以隨時(shí)、隨地掌握車間實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，以了解生產(chǎn)狀況。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器要實(shí)時(shí)采集多臺(tái)機(jī)床的相關(guān)信息，就必須要和這些機(jī)床進(jìn)行通信。而通信就存在一個(gè)難點(diǎn)，那就是要兼容各家不同的數(shù)控廠商生產(chǎn)的設(shè)備。各家的數(shù)控系統(tǒng)不僅通信接口可能不同，而且數(shù)據(jù)格式也有著差異，這就使得服務(wù)器不僅要提出一種通用化的聯(lián)網(wǎng)方案，并且還要統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，以便進(jìn)行管理［4-5］。

目前，在實(shí)際車間中，仍然存在著不少老式的串口數(shù)控設(shè)備，對(duì)于該類設(shè)備，本文使用一種串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口的設(shè)備Moxa NPort5110，針對(duì)I/O信號(hào)，采用I/O轉(zhuǎn)網(wǎng)口的設(shè)備Moxa ioLogik E1210，這樣串口與I/O都可以視作和網(wǎng)口一樣的網(wǎng)絡(luò)單元。網(wǎng)絡(luò)單元通過網(wǎng)絡(luò)端口和采集端相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。但是對(duì)于一些老式車間，可能會(huì)出現(xiàn)無預(yù)留網(wǎng)絡(luò)端口的現(xiàn)象，而新增加布線又比較困難，這種情況下，就可以考慮無線級(jí)聯(lián)的方式。通過增加一個(gè)無線轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到采集端。如此，就形成了如圖2所示的4種網(wǎng)絡(luò)連接方式，整個(gè)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備互聯(lián)，這就使得采集端的兼容性提升，并且整個(gè)車間網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展。

圖2 數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式

2.2 并發(fā)采集

在數(shù)據(jù)采集過程中，由于要對(duì)多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這就要求整個(gè)采集模塊滿足高并發(fā)。實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的傳統(tǒng)方法是多線程技術(shù)，但是多線程就意味著會(huì)增加線程的調(diào)度時(shí)間和數(shù)據(jù)切換時(shí)間，如果不恰當(dāng)?shù)厥褂枚嗑€程技術(shù)，就會(huì)使得這種時(shí)間代價(jià)擴(kuò)大，導(dǎo)致并發(fā)度降低。因而本文采用的是多線程池技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

與傳統(tǒng)多線程技術(shù)不同的是，多線程池技術(shù)將合理控制線程數(shù)目，這樣就減少線程切換時(shí)間，充分利用處理器，提高了系統(tǒng)的并發(fā)性［6-8］。初始的時(shí)候?yàn)榫€程池配置一個(gè)合適的線程容量，當(dāng)連接的設(shè)備減少時(shí)，系統(tǒng)就將已經(jīng)完成任務(wù)的線程逐步銷毀，直至線程的數(shù)目恢復(fù)到一個(gè)正常水平。同理，當(dāng)連接的設(shè)備增加的時(shí)候，就要相應(yīng)地增加線程的數(shù)目，直至合理。整個(gè)過程的流程圖如3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.3 客戶端用戶界面刷新機(jī)制

客戶端運(yùn)行在Android移動(dòng)終端上，為了實(shí)時(shí)顯示車間狀態(tài)，客戶端用戶界面必須要以一定的頻率刷新。在Android中提供了一種異步回調(diào)機(jī)制Handler，本文采用了該機(jī)制進(jìn)行用戶界面刷新。Handler主要用于異步消息的處理，當(dāng)發(fā)出一個(gè)消息之后，首先進(jìn)入一個(gè)消息隊(duì)列，發(fā)送消息的函數(shù)即刻返回，而另外一個(gè)部分逐個(gè)的在消息隊(duì)列中將消息取出，然后對(duì)消息進(jìn)行出來，也就是發(fā)送消息和接收消息并不是同步的處理。這種機(jī)制通常用來處理相對(duì)耗時(shí)比較長的操作。考慮到要在數(shù)據(jù)庫中重新讀取所需要的數(shù)據(jù)，并且將之處理后，還要將顯示界面進(jìn)行刷新，因此整個(gè)過程相對(duì)耗時(shí)，故使用Handler機(jī)制刷新。

刷新中，僅使用主線程刷新，這樣是為了確保用戶界面刷新的安全。Hander機(jī)制向其他線程提供調(diào)用接口用于刷新用戶界面。其他線程通過Hander發(fā)送一個(gè)刷新消息給用戶界面線程，用戶界面線程根據(jù)接收的消息刷新用戶界面。

2.4 信息推送

當(dāng)服務(wù)器采集到一些預(yù)警信息，比如機(jī)床故障、設(shè)備空閑等，如何把這些信息通知給管理者？這時(shí)候就需要用上信息推送技術(shù)。信息推送技術(shù)，即Push技術(shù)，它的實(shí)現(xiàn)有多種方式。本文基于MQTT協(xié)議，用message broker做代理服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)信息推送功能［2］。MQTT是一項(xiàng)消息傳遞技術(shù)，它是是一個(gè)輕量級(jí)的消息發(fā)布/訂閱協(xié)議，由IBM在2001年發(fā)布。用該方法來實(shí)現(xiàn)推送，存在一個(gè)問題，由于broker的連接數(shù)有上限，到了一定程度后就無法連接上了，這就會(huì)導(dǎo)致消息推送失敗。但是實(shí)際上，企業(yè)管理者的數(shù)目很少，而且企業(yè)間的服務(wù)器是獨(dú)立的，也就意味著不會(huì)超過broker的連接上限，所以本文采用此辦法來實(shí)現(xiàn)推送是合理的。

2.5 斷點(diǎn)續(xù)傳

客戶端提供了一個(gè)加工程序傳輸功能，以便了解機(jī)床具體進(jìn)行的作業(yè)情況。在加工程序傳輸過程中，特別是當(dāng)工件程序較大時(shí)，移動(dòng)終端可能會(huì)出現(xiàn)和服務(wù)器失去連接的情況?？紤]到這種情況，本文建立了一種能在中斷點(diǎn)附近續(xù)傳的機(jī)制。將大的工件程序劃分成10Kb的文件塊，如果平臺(tái)成功接收了一個(gè)文件塊，那它就將這個(gè)10Kb大小的文件塊寫入到硬盤中。

為了實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳功能，客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)初始化信息來請(qǐng)求斷點(diǎn)所在的位置。如果在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)找不到文件，那么服務(wù)器將向終端返回一個(gè)0，反之，服務(wù)器將向終端返回文件的大小和斷點(diǎn)位置信息?？蛻舳烁鶕?jù)服務(wù)器返回的斷點(diǎn)位置信息和文件大小，將文件用10Kb大小的文件塊繼續(xù)傳輸。

3 具體實(shí)現(xiàn)

3.1 采集服務(wù)器

基于上文提出的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案，每一臺(tái)數(shù)控設(shè)備都可以視作一個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元，采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)。但是如果直接從設(shè)備的原始采集接口獲得數(shù)據(jù)，得到的僅僅只是一堆無法理解含義的數(shù)值，而且不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)類型也各不相同。這就要求數(shù)據(jù)采集服務(wù)器不僅要對(duì)獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的封裝，用以增加其可讀性，并且還要增加相應(yīng)的I/O信號(hào)。本文采用XML作為數(shù)據(jù)封裝格式。

3.2 數(shù)據(jù)管理服務(wù)器

數(shù)據(jù)管理服務(wù)器和采集服務(wù)器建立通信連接，接收來自采集服務(wù)器的XML文件。接收端將接收的XML文件識(shí)別，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫中。這個(gè)過程中如果識(shí)別到一些預(yù)警數(shù)據(jù)，例如設(shè)備故障等，就會(huì)將這些故障數(shù)據(jù)發(fā)送給代理服務(wù)器，讓代理服務(wù)器進(jìn)行推送處理。

3.3 代理服務(wù)器

代理服務(wù)器接收來自數(shù)據(jù)管理服務(wù)器的特殊數(shù)據(jù)，并分主題進(jìn)行發(fā)布［9］?？蛻舳嗽诘顷懞髸?huì)連接上這個(gè)代理服務(wù)器，然后可以選擇設(shè)定需要接收的消息主題。當(dāng)代理服務(wù)器會(huì)設(shè)定一個(gè)頻率更新，有了新內(nèi)容后，會(huì)向連接上它的所有客戶端根據(jù)設(shè)定需求發(fā)布該主題。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。3.4 客戶端

圖4 推送流程圖

客戶端軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)車間狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，要完成此功能，首先就要實(shí)時(shí)獲得數(shù)據(jù)。根據(jù)前文可知，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)都存放在數(shù)據(jù)管理服務(wù)器中，因此要獲得數(shù)據(jù)就是要用客戶端實(shí)時(shí)訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，這里就利用上了Java訪問數(shù)據(jù)庫的技術(shù)JDBC。在獲得數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)的分類圖形化顯示出來，并利用handler刷新。

Android的用戶界面操作并不是線程安全的，因此這些操作都必須在用戶界面線程中處理。Hander被用于實(shí)現(xiàn)用戶界面的刷新，它允許發(fā)送和處理那些與線程消息隊(duì)列相關(guān)的消息和可運(yùn)行對(duì)象。當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)，Android首先將會(huì)打開一個(gè)主線程（用戶界面線程），用于對(duì)用戶界面控制的管理和事件的分配?？蛻舳寺?lián)網(wǎng)從數(shù)據(jù)庫中獲取所需要的數(shù)據(jù)，這是一個(gè)相對(duì)耗時(shí)的操作，因此不能把這個(gè)操作放在主線程中實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)該放在子線程中。子線程不允許刷新用戶界面，Hander的設(shè)計(jì)是為了向主線程的消息隊(duì)列發(fā)送消息包括用戶界面數(shù)據(jù)，用于實(shí)現(xiàn)刷新操作。圖5簡單展示了Hander用于刷新的過程。

圖5 刷新的實(shí)現(xiàn)

4 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證進(jìn)行可行性驗(yàn)證，將本文提出的方案實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試機(jī)床選用CAK3275和YM650，數(shù)控設(shè)備型號(hào)分別為Faunc 0i和藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)?？蛻舳诉\(yùn)行界面如圖6所示。

圖6 客戶端運(yùn)行界面

由上圖可以看出，客戶端顯示出了車間的各種實(shí)時(shí)狀態(tài)，將所得的數(shù)據(jù)和數(shù)控設(shè)備上所顯示的狀態(tài)進(jìn)行比較，結(jié)果一致，表明該套方案能正確顯示。那么，獲取的數(shù)據(jù)的延時(shí)是多少呢？接下分別在3G網(wǎng)絡(luò)下，2M帶寬無線公網(wǎng)下和無線局域網(wǎng)下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

從表中可以看出，局域網(wǎng)內(nèi)速度明顯快于其他二者，證明系統(tǒng)的主要延時(shí)來源于網(wǎng)絡(luò)。三種網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)都在可接受范圍內(nèi)，表明該套方案可行，能夠達(dá)到預(yù)期的目的。

5 結(jié)論

本文基于智能移動(dòng)終端，提出了一種車間管理系統(tǒng)解決方案，使得用戶能夠通過移動(dòng)終端隨時(shí)隨地了解車間的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以便進(jìn)行生產(chǎn)管理。與傳統(tǒng)的車間管理系統(tǒng)相比，本文提出的方案不僅讓管理更加靈活方便，使得各生產(chǎn)部門協(xié)同作業(yè)，而且推送技術(shù)的添加更是增強(qiáng)了警示功能，使得管理者及時(shí)收到重要信息，是一種方便可靠的信息化、智能化解決方案。

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（編輯 趙蓉）

Design and Implementation of W orkshop M anagement System Based on Android M obile Term inal

LUO Qi1，2，YU Dong2，3，HU Yi2，3，LU Xiao-hu1，2，F(xiàn)ANG Chao1，2，LIU Yun1，2
（1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.National Engineering Research Center For High-End CNC，Shenyang Institute of Computing Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110168，China）

With the development of information technology，the traditional model of workshop management has already not adapt to the rapid development of manufacturing technology.The emergence of network manufacturing make the workshop management transform to networking.On the other hand，with the popularization of3G network and 4G network mobile network shows broad prospects for development.The application development based on mobile network has set off a burst of strong momentum.Users want to be able to use smart mobile terminals at any time，any place to handle some affairs，not just rely on the computer.For the above，this paper puts forward a scheme of Android-based workshop management system.Combining the information push technology，it monitors and manages workshop remotely through Android mobile terminal，in order to improve the production efficiency.

smart mobile terminal；Android platform；workshop management；push technology

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）10-0157-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.043

2014-12-04；

2014-12-04

"高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備"國家科技重大專項(xiàng)：基于二次開發(fā)平臺(tái)的專用數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用（2013ZX04007-011）

羅企（1989—），男，四川峨眉人，中國科學(xué)院大學(xué)、中科院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)，（E-mail）bytc6873@ 163.com；于東（1966—），男，中科院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所博士生導(dǎo)師，研究員，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)。