夏繼強， 董彥威， 王帆

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院 ，北京 100191)

0 引 言

目前，我國已經(jīng)成為世界上第一大機床產(chǎn)銷國，但是由于高檔數(shù)控機床可靠性方面的差距，導致國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)和機床在市場競爭中處于劣勢，由于缺乏批量的第三方數(shù)據(jù)，嚴重阻礙了對國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)可靠性的研究[1]。目前我國對于數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的研究大多是通過有線的方式進行，主要是為了實現(xiàn)車間信息聯(lián)網(wǎng)，這種方式要求在復雜的工廠環(huán)境中進行布線，安裝本地服務器等一些列配套設備，方案實施復雜，成本高[2]。為了實現(xiàn)便捷采集，選用Android系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，運用4G移動網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)發(fā)送，并通過數(shù)控系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議的DNC接口采集數(shù)據(jù)[3]。這種嵌入式無線采集方案具有更多優(yōu)勢：單臺采集終端自成一套系統(tǒng)，可自主完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送任務，配置靈活，適合復雜工況下進行數(shù)據(jù)采集；采用4G無線傳輸，降低了機床地理位置約束，可以實現(xiàn)分布式采集；將數(shù)據(jù)采集協(xié)議封裝到.so動態(tài)庫中，更安全，且移植方便[4-6]。

1 系統(tǒng)整體設計方案

系統(tǒng)主要由數(shù)控設備、嵌入式采集終端、服務器和數(shù)據(jù)庫組成，采用C/S架構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。采集終端直接與數(shù)控系統(tǒng)支持TCP/IP協(xié)議的DNC接口連接，機床通信API(Application Programming Interface)以C++語言實現(xiàn)，并封裝到.so動態(tài)庫中，數(shù)據(jù)采集軟件通過Android JNI(Java Native Interface)接口調(diào)用.so庫中本地代碼完成數(shù)據(jù)采集，把采集到的數(shù)據(jù)存到本地SQLite數(shù)據(jù)庫，同時把數(shù)據(jù)以JSON格式通過4G網(wǎng)絡發(fā)送的遠端服務器，服務器接收并校驗通過后,保存到數(shù)據(jù)庫。

圖1 信息采集系統(tǒng)總體框架

嵌入式采集終端采用Freescale Cortex-A9四核處理器，內(nèi)置Android 4.4原生系統(tǒng)，支持USB2.0、RS485、以太網(wǎng)等輸入輸出接口，搭載WiFi模塊和華為4G全網(wǎng)通移動通信模塊。

采集機床的數(shù)據(jù)種類主要包括：報警信息、報警時間、進給軸指令位置、實際位置、轉(zhuǎn)速、負載電流、G代碼模態(tài)、開機時間和運行時長等，能夠全面反映機床的運行狀態(tài)。

2 嵌入式終端數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)采集軟件總體架構(gòu)

圖2 嵌入式采集終端軟件架構(gòu)

Android數(shù)據(jù)采集軟件要求同步實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能，由于4G信號強弱會有波動，存在數(shù)據(jù)采集和發(fā)送速率不匹配問題，為了能夠連續(xù)、穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)，不造成數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)采集軟件采用了多線程架構(gòu)，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集軟件有三個線程，包括一個主線程和兩個子線程，并使用了SQLite數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)緩存。數(shù)據(jù)采集服務運行于Android UI主線程，由開機廣播接收者啟動，實現(xiàn)開機自啟。數(shù)據(jù)采集線程把采集到的數(shù)據(jù)通過線程間通信發(fā)送給主線程的數(shù)據(jù)采集服務，數(shù)據(jù)采集服務對數(shù)據(jù)進行過濾、封裝處理，并保存到本地SQLite數(shù)據(jù)庫。與此同時數(shù)據(jù)發(fā)送線程不斷地檢測SQLite數(shù)據(jù)庫中是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，如果有，則把數(shù)據(jù)取出，直接通過4G網(wǎng)絡發(fā)送給遠端服務器。兩個線程獨立工作，互不干擾。

2.2 線程之間工作原理

數(shù)據(jù)采集軟件主線程的數(shù)據(jù)采集服務，主要負責協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集子線程和網(wǎng)絡傳輸子線程工作，對整個軟件起調(diào)度和管理的作用，Android 服務無需為用戶提供操作界面，并且能夠長時間在后臺運行，占用系統(tǒng)資源少。數(shù)據(jù)采集服務開機自啟，在服務中分別開啟數(shù)據(jù)采集和發(fā)送子線程。

數(shù)據(jù)采集子線程通過JNI接口調(diào)用.so動態(tài)庫中的通信API采集數(shù)控系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)對象，通過Handler異步消息傳遞給主線程服務。數(shù)據(jù)采集使用基于Socket的TCP/IP協(xié)議，機床作為服務端，采集終端作為客戶端。主線程對數(shù)據(jù)進行分類、校驗、過濾，保存到本地SQLite數(shù)據(jù)庫。SQLite數(shù)據(jù)庫是Android系統(tǒng)自帶的一個微型數(shù)據(jù)庫[7]，數(shù)據(jù)庫本身是安全的，程序中使用單例模式，保證了數(shù)據(jù)讀/寫安全。

使用SQLite數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)緩存，這樣有效解決了數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送速率不匹配的問題，特別是在網(wǎng)絡狀態(tài)不佳的情況下，依然能夠保持數(shù)據(jù)采集線程不受干擾，SQLite數(shù)據(jù)庫有3 GB容量，可容納至少兩周的數(shù)據(jù)量，保證采集到的數(shù)據(jù)不丟失，等網(wǎng)絡狀況恢復之后繼續(xù)發(fā)送。

網(wǎng)絡傳輸子線程的主要任務是把采集到的數(shù)據(jù)通過4G移動網(wǎng)絡發(fā)送到遠程服務器，使用HTTP(HyperText Transfer Protocol)超文本傳輸協(xié)議。網(wǎng)絡傳輸子線程循環(huán)檢測本地SQLite數(shù)據(jù)庫中是否有可發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Json格式發(fā)送給遠程服務器，收到服務器的確認信息后，從SQLite數(shù)據(jù)庫中刪除該條數(shù)據(jù)[8-9]。

3 DNC接口驅(qū)動二次開發(fā)

3.1 Android NDK開發(fā)簡介

Android是一款以Linux為核心的開源操作系統(tǒng)[10]，Android操作系統(tǒng)的框架如圖3所示。因為Android平臺的底層是用C/C++寫的核心庫函數(shù)與Linux內(nèi)核，所以在理論上可以運行C/C++代碼[11]。

圖3 Android系統(tǒng)架構(gòu)

Android NDK是一套工具集合，允許開發(fā)者能夠使用C/C++語言實現(xiàn)Android應用程序的功能，而在NDK開發(fā)過程使用JNI機制實現(xiàn)Java語言與C/C++語言中函數(shù)的相互調(diào)用。Android NDK將開發(fā)者編寫的C/C++代碼編譯成能夠被Linux內(nèi)核加載執(zhí)行的動態(tài)庫(后綴名為so)，開發(fā)者可以通過JNI接口在Java代碼中調(diào)用這個動態(tài)庫中的C/C++函數(shù)。這個庫文件也被打包到最終的應用程序安裝包中[12-13]。

3.2 Android NDK開發(fā)DNC接口驅(qū)動

雖然機床廠商提供了數(shù)據(jù)采集動態(tài)庫，庫中封裝了與數(shù)控系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)，但是庫里面的C/C++函數(shù)并不滿足JNI規(guī)則，因此Android Javanative函數(shù)無法直接調(diào)用庫中的API。此外，庫里面的大多數(shù)函數(shù)在執(zhí)行之后返回值指針，而在Android中是沒有指針概念的，自然也無法讀取指針類型數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。

圖4 DNC動態(tài)庫二次開發(fā)方案

為了解決以上兩個問題，決定在原有動態(tài)庫的基礎上進行二次開發(fā)。在原動態(tài)庫中函數(shù)不滿足JNI機制的情況下，Android程序無法直接調(diào)用，但是C/C++函數(shù)調(diào)用原動態(tài)庫的函數(shù)時卻不必遵守JNI機制，針對這一特點本文提出了如圖4所示的解決方案：開發(fā)一個符合JNI規(guī)則的新動態(tài)庫，通過新庫中的本地代碼調(diào)用原動態(tài)庫中的接口函數(shù)，由于新庫中的函數(shù)符合JNI機制，能夠和Javanative函數(shù)建立一對一映射關(guān)系，這樣就能實現(xiàn)在Java函數(shù)層間接調(diào)用原動態(tài)庫中接口函數(shù)的目的，這也是能夠?qū)崿F(xiàn)機床數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。

開發(fā)新動態(tài)庫，首先要建一個Java類來封裝用于與機床通信的函數(shù)，這些函數(shù)必須用“native”關(guān)鍵字修飾，表明該函數(shù)是通過本地代碼實現(xiàn)的。代碼格式下所示，只需要聲明函數(shù)參數(shù)類型、返回值類型，沒有函數(shù)體。

public staticnativeint GSKRM_Initialization(String addr,int port);

然后，在C文件中，用C/C++代碼實現(xiàn)Java代碼中聲明的native函數(shù)，在函數(shù)體中調(diào)用原動態(tài)庫接口函數(shù)，代碼格式如下所示，函數(shù)名前必須有關(guān)鍵字“JNIEXPORT”和“JNICALL”，這是JNI機制規(guī)定的格式，表示該函數(shù)與Java中的native函數(shù)有對應關(guān)系。函數(shù)前兩個是默認參數(shù)，“JNIEnv”表示JNI運行環(huán)境指針，通過該指針可以調(diào)用JNI工具函數(shù),“jobject”表示調(diào)用該函數(shù)的java對象，通過該參數(shù)可以使用Java反射機制在C/C++代碼中調(diào)用Java對象,其他參數(shù)為Javanative函數(shù)原有參數(shù)。

JNIEXPORTjintJNICALL//函數(shù)C++實現(xiàn)

Java__GSKNativeApi_GSKRM_1Initialization

(JNIEnv * env,

jobject obj,

jstring ipaddr, jint port){

//函數(shù)體，調(diào)用原動態(tài)庫中接口函數(shù)

}

當兩個層函數(shù)完成之后，需要把這兩層函數(shù)建立一對一的映射關(guān)系，這樣調(diào)用Java類的native函數(shù)才會映射到本地代碼層函數(shù)。這種使用新動態(tài)庫調(diào)用原動態(tài)庫的方案不僅可以解決無法直接調(diào)用的難題，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，JNI機制提供了完整數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化方法。

4 系統(tǒng)驗證

使用Tomcat搭建數(shù)據(jù)服務器，數(shù)據(jù)保存到Mysql數(shù)據(jù)庫，并為服務器配備了公網(wǎng)IP地址，數(shù)據(jù)可以通過4G直接發(fā)送到數(shù)據(jù)服務器。按照圖1所示的整體技術(shù)方案部署好整個系統(tǒng)，開始驗證系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)驗證結(jié)果如圖5所示。

圖5為注冊信息表內(nèi)容，注冊信息主要記錄機床的特征信息，其中:“id”表示數(shù)控系統(tǒng)ID號；“tp”表示數(shù)控系統(tǒng)型號；“ver”表示版本號；“time”表示時間。

圖6為運行信息表內(nèi)容，運行信息主要記錄機床加工過程中各軸的參數(shù)信息以及G代碼執(zhí)行信息等，主要反映機床的運行狀態(tài)，其中:“cas”表示主軸實際轉(zhuǎn)速；“ccs”表示主軸指令轉(zhuǎn)速；“aload”表示主軸負載電流；“aspdx”表示進給軸實際轉(zhuǎn)速；“apstx”表示進給軸實際位置；“cpstx”表示進給軸指令位置；“l(fā)oadx”表示進給軸負載電流。信息采集系統(tǒng)會周期性采集數(shù)控系統(tǒng)的運行信息。

圖5 注冊信息表數(shù)據(jù)內(nèi)容

圖6 運行信息表數(shù)據(jù)內(nèi)容

通過對信息采集系統(tǒng)進行測試，驗證了整個信息采集系統(tǒng)的功能，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，網(wǎng)絡傳輸適應性較高，信息采集系統(tǒng)滿足了設計之初提出的要求。

5 結(jié)束語

基于Android嵌入式平臺采集系統(tǒng)的設計使得對數(shù)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集更加便捷、高效，使用了Android軟件開發(fā)的多項技術(shù)，軟件功能更強，開發(fā)效率更高，Android NDK展示了Android 平臺強大的兼容性。利用4G網(wǎng)絡高帶寬、覆蓋廣的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)傳輸更加便捷，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)的多地域、分布式采集功能。