遲 穎，何 杰，耿 斌，周 剛，張 楊

(1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012；2.光大城鄉(xiāng)再生能源(淮安)有限公司，江蘇 淮安 223001；3.南京柯普士儀器科技有限公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)應(yīng)用端越來越多地被人們認(rèn)可，Android平臺(tái)所開發(fā)的APP應(yīng)用軟件更是被應(yīng)用到了各個(gè)場合。由于工業(yè)控制領(lǐng)域具有特殊性，考慮到其穩(wěn)定性、安全性、復(fù)雜性，一直少有相關(guān)方面的應(yīng)用。積極開展移動(dòng)設(shè)備在工業(yè)控制方面的應(yīng)用，在未來5G平臺(tái)下，將有非常廣闊的前景[1]。

連續(xù)排放氣態(tài)污染物監(jiān)測系統(tǒng)(Continuous Emission Monitoring System，CEMS)，應(yīng)用于垃圾發(fā)電企業(yè)的煙氣監(jiān)測，為核對(duì)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，企業(yè)需要接受各級(jí)主管部門比對(duì)檢查。受委托的檢測機(jī)構(gòu)持便攜式檢測儀進(jìn)行采樣比對(duì)，會(huì)涉及兩套系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)比工作的流程如下：(1)同步。同步兩套系統(tǒng)的時(shí)間；(2)采集。在線實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；(3)比對(duì)。比對(duì)兩套系統(tǒng)同一時(shí)間段內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。由于兩套系統(tǒng)的輸出設(shè)備(數(shù)據(jù)顯示終端)距離較遠(yuǎn)，一方在0 m層的分析小屋內(nèi)，另一方在煙囪約35 m處的采樣口，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)核對(duì)必須兩地要有人員通過通信工具進(jìn)行有效溝通。探討拉近一端數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單人單地即時(shí)比對(duì)，提高工作效率，減少人員數(shù)量，具有顯著的效果。

1 Modbus通信

Modbus是一種通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域各個(gè)系統(tǒng)間，其協(xié)議版本較常見的有串口和以太網(wǎng)兩大類，是一個(gè)主站master/從站slave架構(gòu)的協(xié)議。基于該協(xié)議的設(shè)備之間進(jìn)行互連互通，首先，要確定主站與從站。根據(jù)協(xié)議約定，Modbus協(xié)議中主從站的關(guān)系為一對(duì)多型，即主站只能有一臺(tái)，而從站可以擁有地址范圍在0～247(其中0為廣播地址)的多臺(tái)設(shè)備(通信點(diǎn))，主站發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息(查詢代碼)，從站對(duì)主站發(fā)送的命令做出響應(yīng)。主站接收從站響應(yīng)過來的數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)通信。

Modbus RTU與Modbus TCP同屬于Modbus通信協(xié)議，但RTU通信更多地在傳輸介質(zhì)上采用雙絞線、光纖，同時(shí)，以二進(jìn)制數(shù)據(jù)方式直接傳送數(shù)據(jù)，而TCP通信采用的傳輸介質(zhì)更多的是常見的網(wǎng)線，也可以通過無線傳輸，將每字節(jié)二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定兩位16進(jìn)制字符串，再依次串聯(lián)在一起，以TCP碼形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送?，F(xiàn)場的工業(yè)應(yīng)用中，常見于RTU轉(zhuǎn)TCP的應(yīng)用，以便于搭載網(wǎng)絡(luò)通信[2]。

2 Socket通信

OSI開放系統(tǒng)互連參考模型，定位于應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層就是Socket通信接口，將復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面。Socket的服務(wù)端(Server)建立服務(wù)傾聽socket，同時(shí)，等待并接收請(qǐng)求，Socket的客戶端(Client)創(chuàng)建連接socket向服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求，此時(shí)，服務(wù)端接收到客戶端的請(qǐng)求創(chuàng)建連接socket。通信時(shí)，客戶端OutputStrean輸出流到服務(wù)端輸入InputStream，服務(wù)端OutputStream輸出流到客戶端的輸入流InputStream。結(jié)束通信只需要關(guān)閉雙方的socket即可。依靠該協(xié)議，Modbus的通信可以搭建完成一個(gè)數(shù)據(jù)交互的鏈接，完成雙方的通信過程。

3 Android應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Android平臺(tái)的通信基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信網(wǎng)絡(luò)可以是基于路由器的互聯(lián)網(wǎng)，可以借助于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的超遠(yuǎn)距離訪問；也可以是基于AP熱點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)(或者藍(lán)牙方式)，可以在有限定的條件下確保數(shù)據(jù)安全的訪問。

3.1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

系統(tǒng)分為三大模塊：(1)系統(tǒng)配置模塊，用于配置和存儲(chǔ)通信用IP地址、端口號(hào)、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容等信息，并保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，以備下次應(yīng)用時(shí)直接使用。(2)柱狀圖顯示模塊，清晰、直觀地顯示可以實(shí)時(shí)比對(duì)各組分在同一時(shí)間內(nèi)的差異。(3)折線圖顯示模塊，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場的比對(duì)需求，可以定義折線圖的采集時(shí)間間隔和采集數(shù)據(jù)量，折線圖針對(duì)單一組分的總體趨勢具有很好的顯示效果，增加了計(jì)算平均值、最大值和最小值的功能，完全貼合現(xiàn)場所要參比的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的硬件搭配：現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，需要通過CEMS系統(tǒng)自帶的modbus協(xié)議端口進(jìn)行二次打包轉(zhuǎn)發(fā)，一般為PLC通信口。為實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)通信，還必須將雙方置于該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，本研究采用西門子S7-200 SMART SR40 CPU模塊卡，485通信端口直接連接了一款串口轉(zhuǎn)無線WiFi的工業(yè)通信設(shè)備，在配置時(shí)采用默認(rèn)的AP模式，設(shè)置好串口協(xié)議、AP熱點(diǎn)狀態(tài)下所需要的通信IP和端口，完成硬件配置[3]。

3.2 數(shù)據(jù)庫配置

數(shù)據(jù)庫以原始DB數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，單獨(dú)一個(gè)配置界面(見圖1)，用以存儲(chǔ)、更改、調(diào)用通信所涉及的各項(xiàng)參數(shù)。為適配現(xiàn)場的無線通信設(shè)備，增加了通信方式的選擇，在選擇Serial串口方式通信時(shí)，只是代表該通信查詢代碼是以RTU方式發(fā)送的16進(jìn)制字符串，該字符串查詢代碼以及返回的數(shù)據(jù)代碼不同于TCP/IP格式，需要注意的是該方式并不表示要去接一個(gè)真正的串口。

圖1 配置界面

3.3 數(shù)據(jù)查詢

Android平臺(tái)下，以手機(jī)為適配機(jī)，需要做Modbus主機(jī)的響應(yīng)機(jī)制。根據(jù)協(xié)議規(guī)定，以傳送8個(gè)有效浮點(diǎn)數(shù)據(jù)為例，發(fā)送16進(jìn)制的查詢代碼：00 01 00 00 00 06 02 03 00 00 00 10，其中，02表示為從站號(hào)是2，03表示modbus功能碼03，即讀取保持寄存器地址，10表示是查詢的數(shù)據(jù)長度為十進(jìn)制的16。將其定義為一個(gè)byte字節(jié)數(shù)組發(fā)送出去，客戶端響應(yīng)該查詢得到的也是一個(gè)16進(jìn)制的字符串：00 01 00 00 00 23 02 03 20 00 00 40 00 00 00 40 40 00 00 40 A0 00 00 40 E0 00 00 41 00 00 00 41 40 00 00 40 40 00 00 42 84，其中，20表示是后面的數(shù)據(jù)長度為10進(jìn)制的32個(gè)，是實(shí)際的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3.4 數(shù)據(jù)處理

在獲取返回的數(shù)據(jù)串后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)。Modbus浮點(diǎn)數(shù)的存儲(chǔ)格式為SEEE EEEE EMMM MMMM MMMM MMMM MMMM MMMM，S是符號(hào)位，1表示負(fù)值；EEE EEEE E表示為指數(shù)冪；MMM MMMM MMMM MMMM MMMM MMMM表示為數(shù)據(jù)位，該數(shù)據(jù)位缺省了1.需要補(bǔ)上。此時(shí)，小數(shù)位可以按指數(shù)調(diào)整：得到一個(gè)負(fù)的指數(shù)就向左移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)，得到一個(gè)正的指數(shù)向右移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)。算出小數(shù)點(diǎn)左邊和小數(shù)點(diǎn)右邊的數(shù)，最后得到該浮點(diǎn)數(shù)。

核心代碼：

StringbinStr = hex2Bin(hexstr);

Stringsign = binStr.substring(0, 1);

Stringex = binStr.substring(1, 9);

int exint = Integer.parseInt(ex, 2);

Stringmdatastr = binStr.substring(9);

int movebit = exint - 127;

StringBuffersb = new StringBuffer();

for (int i = 0; i < 23; i++) {

if (i == movebit)

sb.append(".");

char b = mdatastr.charAt(i);

sb.append(b);

}

Stringaddstr = "1" + sb.toString();

int sint = addstr.indexOf(".") - 1;

Doubledoublevalue = 0.0d;

for (int i = 0; i < addstr.length(); i++) {

if (addstr.charAt(i) == '.')

continue;

Doubledtmp = Math.pow(2, sint);

int itmp = Integer.valueOf(addstr.charAt(i) + "");

dtmp = dtmp * itmp;

sint = sint - 1;

doublevalue = doublevalue + dtmp;

}

if (sign.equals("1")) {

doublevalue = 0 - doublevalue;

}

}

以上轉(zhuǎn)換如果得不到實(shí)際對(duì)應(yīng)的數(shù)值，那就應(yīng)該考慮浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)。按照數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的約定：字節(jié)順序模式分為大端數(shù)據(jù)模式和小端數(shù)據(jù)模式，是根據(jù)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)方式來區(qū)分的。小端字節(jié)順序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式是按內(nèi)存增大的方向存儲(chǔ)的，即低位在前高位在后；大端字節(jié)順序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方向恰恰相反，即高位在前，低位在后。據(jù)此，只需要重新排列一下一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)所占用兩個(gè)寄存器地址位的前后順序，就可以完成數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)。

3.5 柱狀圖顯示

柱狀圖表的顯示比文字更具有簡潔性，也更加直觀，具體如圖2所示。將讀取到的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)以圖表的形式呈現(xiàn)出來，應(yīng)用MPAndroidChart的柱狀圖顯示功能，引入該控件的com.github.mikephil.charting.charts.BarChart包，對(duì)其X軸Y軸進(jìn)行自定義，同時(shí)，增加一個(gè)以時(shí)間為刷新內(nèi)容的描述項(xiàng)。核心代碼如下：

x軸的定義

xAxis.setValueFormatter (new ValueFormatter () {

private String[] xStrs = new String[]{"CO", "HCL", "NO", "NO2", "SO2", "H2O", "Temp", "FlOW"};

@Override

public String getFormattedValue(float value) {

int position = (int) value;

if (position >= 8) {

position = 0;

}

return xStrs[position];

}

});

時(shí)間描述

Description description = new Description ();

description.setEnabled (true);

t = new SimpleDateFormat ("yyyy年MM月dd日 HH:mm:ss");

description.setText (t.format (new Date ()));

chart.setDescription (description);

圖2 柱狀圖表的顯示

3.6 折線圖顯示

相較于柱狀圖，折線圖可以突出一組數(shù)據(jù)的變化趨勢，將各組數(shù)據(jù)以不同的顏色標(biāo)注出，既可以單組數(shù)據(jù)顯示，又可以多組數(shù)據(jù)比對(duì)顯示，實(shí)際第三方比對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)常常會(huì)取一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，以下拉框選擇的方式將所需時(shí)間段以及數(shù)據(jù)量展現(xiàn)出來，減少人工輸入錯(cuò)誤，具體如圖3所示。應(yīng)用引入控件的com.github.mikephil.charting.charts.LineChart包，對(duì)其X軸Y軸進(jìn)行自定義，同時(shí)，增加一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位的標(biāo)記，用以記錄該條數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息：當(dāng)前組分名稱、當(dāng)前數(shù)值、總采集數(shù)、當(dāng)前條數(shù)、平均值、最大值、最小值。核心代碼如下：

java.util.Set> entries = mapList.entrySet ();for (java.util.Map.Entry entry : entries) {

String valName = entry.getKey ().trim ();

switch (valName) {

case "co":

coMax = (Double) Collections.max ((List) entry.getValue ());

coMin = (Double) Collections.min ((List) entry.getValue ());

coAverage = getAverage ((List) entry.getValue (), xCount);

break;

case "hcl":

……

}

}

采用java.util.Set> entries = mapList.entrySet ();封裝了主Activity傳遞過來的數(shù)值，根據(jù)組份名稱展開一一對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的折線圖上。getAverage()是一個(gè)自定義的計(jì)算List集合內(nèi)數(shù)據(jù)平均值的函數(shù)。在采集數(shù)據(jù)完成后，點(diǎn)擊折線圖上的單點(diǎn)，就可以得到該點(diǎn)的詳細(xì)信息。

圖3 折線圖顯示

4 結(jié)語

該客戶端應(yīng)用APP主要基于無線通信，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量好壞直接影響數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)際使用過程中，采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，數(shù)據(jù)刷新周期為每30 s一次，完全可以滿足現(xiàn)場通信監(jiān)控比對(duì)的需求。工業(yè)現(xiàn)場端Modbus通信是常規(guī)通信協(xié)議，無論是集控室DCS端，還是現(xiàn)場儀表端，都有此類接口，在確保數(shù)據(jù)安全的情況下，充分利用此類接口與移動(dòng)端對(duì)接，提高了整體的工作質(zhì)量和效率，具有極大的實(shí)用價(jià)值。