劉 挺， 徐哲壯， 何偉東， 樂 喜， 熊 甜

(福州大學 電氣工程與自動化學院 自動化系，福建 福州 350108)

基于Android的移動化工業(yè)人機交互系統(tǒng)設計*

劉 挺， 徐哲壯， 何偉東， 樂 喜， 熊 甜

(福州大學電氣工程與自動化學院自動化系，福建福州350108)

針對現(xiàn)有工業(yè)人機交互(HMI)界面存在無法移動，靈活性差等問題，設計了基于Android的移動化工業(yè)人機交互系統(tǒng)。系統(tǒng)通過設計藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊，在Android智能設備與可編程邏輯控制器(PLC)之間建立可靠的數(shù)據(jù)通道，使二者能進行雙向通信?；贏ndroid的工業(yè)人機交互軟件可以進行可視化的監(jiān)測與圖形化的控制輸入，實現(xiàn)人機交互系統(tǒng)的移動化、智能化。在某熱熔膠機的HMI系統(tǒng)上進行實驗，結果證明：系統(tǒng)能夠在設備周圍的任意位置實時可靠地顯示傳感器數(shù)據(jù)并修改參數(shù)，提高了工業(yè)現(xiàn)場HMI的效率。

工業(yè)人機交互； 藍牙； Android； 可編程邏輯控制器

0 引 言

在工業(yè)控制中，由人機交互(human-machine interaction，HMI)界面提供工業(yè)現(xiàn)場的實時信息反饋并為工業(yè)控制提供該過程的輸入界面。隨著電子信息技術的進步，人機界面已經(jīng)從最初的“按鈕+LED”的組合，逐步發(fā)展為更加直觀的觸摸屏設備，并具備數(shù)據(jù)通信的功能[1,2]。

然而，目前在工業(yè)現(xiàn)場所使用的HMI 設備仍然采用以機器為中心的設計思路，即HMI 與機器單獨綁定[3]。對于長型、大型設備，該固定模式在調試時難以兼顧觀察設備實際運行狀態(tài)與使用HMI調整設備參數(shù)。調試人員不得不頻繁往返于HMI與工業(yè)設備狀態(tài)輸出位置，效率低下。同時該模式也存在著 HMI 功能升級困難、用戶體驗不統(tǒng)一、多設備聯(lián)調困難等問題，存在操作失誤的隱患，同時又增加了硬件及維護的成本。

Android智能設備具有移動化、智能化特性[4]。藍牙4.0技術可實現(xiàn)信息采集處理和傳遞[5～7]。本文將二者結合設計了基于Android的移動化工業(yè)HMI系統(tǒng)，實現(xiàn)了Andorid智能設備對工業(yè)設備狀態(tài)的監(jiān)控。并從整體方案設計、系統(tǒng)架構組成、硬件設計和軟件架構方面詳細闡述。最后，將該系統(tǒng)應用于熱熔膠機溫度的監(jiān)控，證明了移動化HMI系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)方案設計

基于Android的移動化工業(yè)人機交互系統(tǒng)框架如圖1所示，主要由3部分組成：Android智能設備、藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)。其中，Android智能設備指使用Android操作系統(tǒng)的平板電腦、手機等常見的手持無線智能終端。藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊集成了藍牙芯片和RS—485通信芯片，能夠同時支持藍牙無線通信和RS—485通信。PLC為工業(yè)用可編程工業(yè)控制器。Android智能設備與藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊之間通過藍牙無線通信來實現(xiàn)信息交互。同時藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊通過屏蔽雙絞線連接到PLC的RS—485通信接口，二者通過Modbus RTU協(xié)議進行雙向數(shù)據(jù)通信。藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊實現(xiàn)藍牙信號與RS—485信號的雙向轉換，建立Android設備與PLC的數(shù)據(jù)鏈路，從而實現(xiàn)Android智能設備和PLC之間信息交互的目的。該方案通過Android設備對工業(yè)設備進行操控、調試，實現(xiàn)HMI的移動化、智能化，提升工業(yè)現(xiàn)場工業(yè)設備的調試效率。

圖1 系統(tǒng)框架

1.1 Android智能設備

系統(tǒng)中，Android設備需具有兩大功能：1)將收集的數(shù)據(jù)以不同的方式顯示在屏幕上，供查看。2)操作Android設備將控制命令、數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC。

Android設備直接與藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊進行通信，通過工作在2.4GHz無線通信頻段的藍牙4.0進行數(shù)據(jù)傳輸。首先，Android設備打開藍牙，通過選擇目標網(wǎng)關模塊的藍牙地址來建立連接。當Android設備接收到網(wǎng)關模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，Android設備采用圖片、文字、波形圖、列表等方式將數(shù)據(jù)信息直觀表現(xiàn)在界面上，以便查看相關數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息進行處理判斷，操作Android設備將控制命令、數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，使工業(yè)設備按照期望目標運行。

1.2 藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊

模塊負責實現(xiàn)藍牙4.0信號與RS—485信號的雙向轉換，從而實現(xiàn)Android設備與PLC的相互通信。在物理連接方面，網(wǎng)關模塊通過工作在2.4GHz無線頻段的藍牙4.0與Android設備連接，運行藍牙4.0協(xié)議；通過有線連接的RS—485接口與PLC連接，運行Modbus RTU協(xié)議。

網(wǎng)關模塊同時與Android設備和PLC通信。網(wǎng)關模塊接收到Android設備的數(shù)據(jù)包，根據(jù)藍牙4.0協(xié)議標準解析數(shù)據(jù)包，獲取有效數(shù)據(jù)，將Android設備想要發(fā)送的控制指令或數(shù)據(jù)轉換成Modbus協(xié)議，再傳遞給PLC，使PLC能夠識別來自Android設備的控制指令。同時，網(wǎng)關模塊接收PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)Modbus RTU協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，分析協(xié)議數(shù)據(jù)中PLC所采集到的數(shù)據(jù)狀態(tài)，再將重要數(shù)據(jù)轉換為藍牙4.0協(xié)議標準的數(shù)據(jù)包，發(fā)送至Android設備，從而將PLC采集的數(shù)據(jù)信息實時傳輸至Android設備。

1.3 PLC

PLC負責采集工業(yè)設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)送至網(wǎng)關模塊，并響應網(wǎng)關模塊的控制指令，執(zhí)行相應操作。PLC與網(wǎng)關模塊通過RS—485接口實現(xiàn)通信，用屏蔽雙絞線進行連接，軟件中均采用Modbus RTU協(xié)議通信。

PLC通過RS—485接口與網(wǎng)關模塊連接，該連接的網(wǎng)絡拓撲有3種：PLC與網(wǎng)關模塊點對點連接、一臺PLC連接多個網(wǎng)關模塊、一個網(wǎng)關模塊連接多個PLC。PLC實時采集工業(yè)設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，存儲于內部寄存器中，在周期性的查詢應答循環(huán)中將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關模塊。當PLC接收到網(wǎng)關模塊的控制指令，根據(jù)內嵌的控制邏輯響應控制指令，實現(xiàn)對工業(yè)設備的控制。

2 硬件平臺搭建

2.1 Android智能設備

采用的Android智能設備為Google公司的Nexus9平板電腦，具有Android5.1操作系統(tǒng)， BCM4354無線通信芯片以支持藍牙無線通信。

2.2 藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊設計

網(wǎng)關模塊需要同時連接Android設備與PLC，能夠同時支持藍牙無線通信和RS—485通信，此外模塊還需要擁有獨立數(shù)據(jù)處理能力，以便進行藍牙與RS—485兩種異構協(xié)議標準的格式轉換。

網(wǎng)關模塊的硬件結構如圖2所示，該模塊應能與其他藍牙設備進行連接與通信，支持所有帶有RS—485接口的PLC，硬件部分包括主控制器、RS—485接口、調試電路等電路模塊，具體功能為：1)主控制器：進行信號處理、數(shù)據(jù)計算，以便在主控制器上實現(xiàn)藍牙功能；該模塊選取TI公司的CC2540作為主控芯片與藍牙通信芯片；2)天線模塊：包括天線部分和匹配電路，要求能接收與發(fā)送2.4GHz頻段的信號，能通過匹配電路將無線信號轉換為控制器能識別的電平信號；3)RS—485接口：用于連接PLC，實現(xiàn)與PLC之間的數(shù)據(jù)交換；4)調試電路：用于在硬件模塊上燒錄、運行、調試程序；5)電源：為網(wǎng)關模塊提供3.3V電源；6)晶振：為處理器提供工作時鐘；7)復位電路：為系統(tǒng)復位提供所需的高、低電平；8)LED電路：用于顯示系統(tǒng)電源、運行的狀態(tài)。以下主要介紹RS—485接口電路。

圖2 藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊結構

RS—485接口電路的主要用于將來自藍牙芯片的通信發(fā)送信號TX轉換為RS—485通信網(wǎng)絡中的差分信號，或將來自RS—485通信網(wǎng)絡中的差分數(shù)據(jù)信號轉換為藍牙芯片能夠識別的串口RX電平信號。為了使模塊能夠輸出RS—485標準的差分電壓狀態(tài)，采用MAX3485芯片，接口電路如圖3所示。

圖3 RS—485接口電路

2.3 PLC

采用臺達公司的DVP12SE11R PLC，具有8路輸入，4路輸出，支持RS—485通信和以太網(wǎng)通信。PLC與網(wǎng)關模塊采用點對點連接的拓撲結構，即每臺PLC均連接有一個網(wǎng)關模塊，在進行RS—485通信時，PLC為主站，網(wǎng)關模塊為從站，實現(xiàn)PLC與網(wǎng)關模塊之間的通信。

3 人機交互系統(tǒng)軟件設計

3.1 Android智能設備的軟件設計

程序開發(fā)基于Android5.1系統(tǒng)，使用開發(fā)工具Eclipse。軟件程序主要包含藍牙地址數(shù)據(jù)庫建立、藍牙連接、藍牙數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示和修改功能。

1)藍牙地址數(shù)據(jù)庫建立：為了防止非網(wǎng)關模塊的藍牙帶來的干擾，需要在Android程序中使用SQLite建立網(wǎng)關模塊藍牙地址數(shù)據(jù)庫，將工業(yè)現(xiàn)場可被連接網(wǎng)關模塊的藍牙地址保存在該數(shù)據(jù)庫中。

2)藍牙連接：藍牙無線通信具有2種角色：中心設備和外圍設備。網(wǎng)關模塊被設定為外圍設備處于廣播模式，Android設備被設定為中心設備開啟掃描模式。當掃描發(fā)現(xiàn)藍牙設備時，可獲得該藍牙對應的物理地址、名稱、接收信號強度指示(received signal strength Indication，RSSI)。首先，對藍牙的物理地址進行判斷，若該地址不屬于藍牙地址數(shù)據(jù)庫，則屏蔽；反之，將該地址加入到可連接清單，待掃描結束將可連接清單以列表的方式顯示。選擇目標網(wǎng)關模塊對應的藍牙地址，發(fā)送連接請求，并建立連接。

3)藍牙數(shù)據(jù)傳輸：建立連接后，作為中心設備的Android設備將搜索外圍設備支持的服務(service)和屬性值(characteristic)，通過通用唯一識別碼(universally unique identifier，UUID)對相應的Characteristic進行讀取和寫入操作，完成數(shù)據(jù)交互。為了保證Android設備與網(wǎng)關模塊藍牙信息傳輸?shù)膶崟r性，Android程序專門建立一個數(shù)據(jù)處理線程用于對藍牙數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

4)數(shù)據(jù)顯示和修改：建立處理Android界面更新的異步線程，將數(shù)據(jù)收發(fā)和界面更新分為2個線程，兩者之間互不影響。數(shù)據(jù)處理線程接收到網(wǎng)關模塊數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過Android的基本組件BroadcastReceiver將數(shù)據(jù)通過廣播的方式傳送給界面更新線程，進而將數(shù)據(jù)顯示在界面上。當通過Android界面對數(shù)據(jù)進行修改時，界面更新線程將該數(shù)據(jù)廣播從而傳送給數(shù)據(jù)傳輸線程，再通過寫值操作，改變網(wǎng)關模塊相應屬性的數(shù)據(jù)。

圖4 Android設備的軟件結構

3.2 藍牙/RS—485網(wǎng)關模塊軟件設計

網(wǎng)關模塊的軟件程序負責分析藍牙4.0通信協(xié)議和Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)，進而在兩種協(xié)議之間嵌入轉換程序，完成藍牙協(xié)議與Modbus協(xié)議的自由雙向轉換，實現(xiàn)網(wǎng)關模塊與Android智能設備、PLC同時進行連接與通信。軟件結構如圖5所示，網(wǎng)關模塊預留64kB的內存區(qū)域，作為數(shù)據(jù)寄存器，藍牙4.0協(xié)議與Modbus協(xié)議的請求、操作等均通過直接對數(shù)據(jù)寄存器進行讀/寫操作完成。

圖5 網(wǎng)關模塊軟件結構

當Android設備發(fā)送數(shù)據(jù)時，調制成為2.4GHz頻段的無線信號，網(wǎng)關模塊接收到信號，進行信號解調與處理，獲取Android設備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息；經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗確認數(shù)據(jù)的正確性后，網(wǎng)關模塊根據(jù)藍牙4.0協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，解包獲得有效數(shù)據(jù)；根據(jù)Android設備發(fā)送的數(shù)據(jù)往數(shù)據(jù)寄存器中寫值。

從PLC采集的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，即PLC對數(shù)據(jù)寄存器進行寫值操作時，OSAL操作系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)值，存放到緩沖寄存器，由協(xié)議層逐層封裝，將數(shù)據(jù)轉換為符合藍牙4.0協(xié)議的數(shù)據(jù)格式；數(shù)據(jù)包經(jīng)過調制轉換為無線信號，通過天線模塊發(fā)送到2.4GHz無線頻段，等待Android設備接收該數(shù)據(jù)包。

PLC與網(wǎng)關模塊采用Modbus RTU協(xié)議，PLC設定為主站，網(wǎng)關模塊為從站。當PLC需要對數(shù)據(jù)寄存器寫值，或從數(shù)據(jù)寄存器讀值，PLC主動發(fā)送查詢消息，該消息可以包含讀值或寫值命令碼；網(wǎng)關模塊接收到查詢消息，校驗數(shù)據(jù)的正確性后，解析Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包，分析其命令碼與數(shù)據(jù)域；根據(jù)查詢消息，OSAL按照地址映射，相應地對數(shù)據(jù)寄存器進行讀/寫操作；響應查詢消息的操作后，網(wǎng)關模塊根據(jù)查詢消息的命令碼，將所需的數(shù)據(jù)封裝為Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)格式，生成應答消息，發(fā)送至PLC。

4 測試與結果

將所述基于Android的移動化工業(yè)人機交互系統(tǒng)應用于熱熔膠機溫度的監(jiān)控。開發(fā)了“膠機管理系統(tǒng)”APP，在藍牙通信范圍內可實時監(jiān)測顯示熱熔膠機熔缸、槍體、膠管的溫度以及變頻參數(shù)等，同時通過對APP界面的操作，可修改熱熔膠機的溫度以及其他參數(shù)。本次測試中“膠機管理系統(tǒng)”共監(jiān)測2個熔缸、6個膠管、8把槍體的溫度，槍體溫度的監(jiān)控頁面如圖6所示。

圖6 槍體溫度監(jiān)測界面

如圖6所示的測試的結果，“膠機管理系統(tǒng)”APP能夠準確地顯示熱熔膠機的溫度，反映熱熔膠機的實際運行情況，在藍牙通信范圍內可修改控制熱熔膠機溫度，所以,該移動化人機交互系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定的運行。

為了測試移動化工業(yè)人機交互系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場的可靠操作范圍，在測試的過程中不斷改變Android設備與網(wǎng)關模塊之間的距離，并在每個距離下均發(fā)送100個數(shù)據(jù)包，觀察通信質量，具體測試情況如表1所示。

通過測試發(fā)現(xiàn)在10m之內，Android設備與網(wǎng)關模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸沒有發(fā)生丟包，通信質量較佳，10m的通信距離滿足現(xiàn)場級別的對工業(yè)設備移動化操控要求。

表1 通信質量測試結果

5 結 論

設計并實現(xiàn)了基于Android的移動化工業(yè)人機交互系統(tǒng)，將現(xiàn)有固定模式的HMI設備向移動化人機交互發(fā)展，提升人機交互效率。同時，該系統(tǒng)的應用實例熱熔膠機溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實時地顯示熱熔膠機溫度參數(shù)，可利用Android設備實現(xiàn)移動化的參數(shù)修改，達到了移動化人機交互的目的。

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Designofmobileindustrialhuman-machineinteractionsystembasedonAndroid*

LIU Ting， XU Zhe-zhuang， HE Wei-dong， YUE Xi， XIONG Tian

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，F(xiàn)uzhouUniversity，F(xiàn)uzhou350108，China)

Aiming at problems that existing industrial human-machine interface(HMI) is immobile and has poor flexibility,mobile industrial human-machine interaction system based on Android is designed.The Bluetooth-RS485gateway module is designed to establish reliable data channel between Android smart devices and programmable logic controller(PLC).The Android-based software is developed to provide visual data monitoring and graphical control input that implements mobile and intelligent human-machine interaction system.It is implemented in a hot melt glue machine.Experimental results show that the system can display sensor data and modify parameters at any place around the machine,improve efficiency of industrial human-machine interaction.

industrial human-machine interaction(HMI)； Bluetooth； Android； programmable logic controller

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0111—04

2016—10—18

國家自然科學基金資助項目(61304260,61673116)；福建省自然科學基金資助項目(2014J05072)

TP 393

A

1000—9787(2017)10—0111—04

劉 挺(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。