楊雷 劉漢陽 王奎 孔繁海 / 山東省計量科學研究院

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，測試設(shè)備的遠程連接、集中管理以及數(shù)據(jù)可視化成為一個趨勢。家電能效計量實驗室涉及的檢測項目多，設(shè)備功能差異大，實驗室檢測過程智能化中面臨著設(shè)備接口和數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一等問題，進而造成了業(yè)務(wù)受理與樣品管理、樣品測試的脫節(jié)，實驗室電子原始數(shù)據(jù)往往無法納入機構(gòu)內(nèi)部控制系統(tǒng)中。

為了解決上述問題，本文以吸油煙機能效計量測試系統(tǒng)為突破口，采用B/S架構(gòu)對現(xiàn)有測試設(shè)備軟件重新設(shè)計開發(fā)。在實現(xiàn)基本測試功能前提下，拓展設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)控制功能，具有良好的人機界面和數(shù)據(jù)交互能力，為家電性能檢測實驗室的多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合和檢測過程智能化提供思路和可行的技術(shù)方案。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

空氣性能試驗是吸油煙機能效計量的一個重要項目，也是吸油煙機能效標識中全壓效率的數(shù)據(jù)來源。目前,國內(nèi)的主要測試設(shè)備均使用基于計算機的專用軟件進行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和計算，功能較為單一。主要測量參數(shù)包括電壓、電流、功率、溫度、濕度、大氣壓力和筒內(nèi)靜壓。根據(jù)上述7個參數(shù)的測量結(jié)果，配合孔板參數(shù)、設(shè)備系數(shù)、擬合算法，最終計算出被測樣品的風量和全壓效率等技術(shù)指標。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。由多路顯示儀與電參表將測量參數(shù)通過串口傳輸給計算機。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

新的測試軟件使用Web技術(shù)開發(fā),整體架構(gòu)如圖2所示，主要包括三個部分：Web客戶端、服務(wù)器端和測試設(shè)備端。三部分通過網(wǎng)絡(luò)連接進行信息數(shù)據(jù)交互。其中Web客戶端作為人機接口，主要進行設(shè)備參數(shù)的配置和運行控制，同時進行實時/歷史數(shù)據(jù)的展示渲染。

圖2 基于web的測量系統(tǒng)原理

為了降低服務(wù)器端的負擔，切分視圖與業(yè)務(wù)邏輯間的關(guān)聯(lián)，防止個別測試設(shè)備故障造成系統(tǒng)下線，將服務(wù)器端分為三個模塊：Web服務(wù)、測控服務(wù)和數(shù)據(jù)庫。為了降低開發(fā)難度，Web服務(wù)使用Flask框架，一方面向前端提供頁面數(shù)據(jù)，另一方面作為中介，轉(zhuǎn)發(fā)前端與測控服務(wù)間的交互數(shù)據(jù)。測控服務(wù)主要負責測試設(shè)備運行、數(shù)據(jù)采集處理、存儲等功能，同時對前端發(fā)送的指令進行響應(yīng)。兩個服務(wù)之間也是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行雙向數(shù)據(jù)通信。

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫使用了MySQL進行采樣數(shù)據(jù)的存儲，同時，前端通過Web服務(wù)進行數(shù)據(jù)庫的維護和信息管理。

采用圖2中的架構(gòu)，可以方便地組織各功能模塊，數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)和測控服務(wù)可以部署在同一臺計算機上，也可以根據(jù)現(xiàn)場需求，部署在不同的計算機上，利于功能擴展和系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時本系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，所有應(yīng)用功能，都通過瀏覽器網(wǎng)頁呈現(xiàn)，具有無需安裝、平臺無關(guān)性的優(yōu)點，因此，通過任意操作系統(tǒng)，終端都可以訪問本系統(tǒng)進行相關(guān)操作。

2 前、后端功能設(shè)計及實現(xiàn)

為了實現(xiàn)上述架構(gòu)，主要的開發(fā)工作集中在各業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸和存儲格式設(shè)計，以及各功能模塊的信息交互等三個方面。系統(tǒng)開發(fā)采用前、后端分離模式。按照功能劃分，前端分為4個模塊，后端分為兩個模塊，具體劃分方式如圖3所示。

圖3 前、后端功能劃分

前端功能是實現(xiàn)人機界面，向操作人員提供儀器控制的圖形接口，并進行數(shù)據(jù)展示。為了拓展系統(tǒng)使用范圍，增加了用戶登錄功能，可根據(jù)不同用戶權(quán)限，展示不同的操作頁面，操作不同的測量設(shè)備等。前端功能的實現(xiàn)使用了Vue框架，配合Element組件庫實現(xiàn)頁面布局和數(shù)據(jù)渲染，使用ECharts可視化圖表庫進行數(shù)據(jù)曲線的繪制，并使用socket.io-client，接收WebSocket（是一種在單個TCP連接上進行全雙工通信的協(xié)議）數(shù)據(jù)。

后端Web服務(wù)主要功能是實現(xiàn)簡單的頁面路由和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，并對用戶權(quán)限進行驗證和管理。本系統(tǒng)采用了輕量級的Flask框架進行開發(fā)，配合Flask-SocketIO模塊，實現(xiàn)WebSocket的雙向通信功能。為了保證每一個設(shè)備同時由一名人員進行操作，采用“先入為主”的控制邏輯，第一個具有操作權(quán)限的人員控制該設(shè)備后，后續(xù)登錄的其他人員只能以觀察者的身份監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，而不能操作。操作者、觀察者及設(shè)備注冊到相同的Room中，保證不同測試項目間數(shù)據(jù)交互的隔離。

測控服務(wù)主要功能為控制測試主流程、維護設(shè)備配置參數(shù)、數(shù)據(jù)推送。該部分使用python語言編寫，采用多線程技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、通信三個主要功能。軟件啟動后，首先進行初始參數(shù)的設(shè)置，包括設(shè)備默認參數(shù)的加載、全局數(shù)據(jù)隊列的初始化等。然后軟件開始啟動Socket.IO客戶端并嘗試連接Web服務(wù)，如果連接成功，系統(tǒng)向Web服務(wù)發(fā)送設(shè)備信息，并進入就緒等待狀態(tài)；如連接不成功，輸出程序啟動錯誤信息。測控服務(wù)啟動流程如圖4所示。

圖4 測控服務(wù)啟動流程

進入就緒狀態(tài)后，測控服務(wù)監(jiān)聽Web服務(wù)發(fā)送的消息，并根據(jù)消息進行相應(yīng)操作，包括數(shù)據(jù)的采集和測試狀態(tài)維護兩個主要功能，其流程如圖5所示。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能是循環(huán)讀取兩個串口設(shè)備。電參表和多路顯示儀均使用了Modbus協(xié)議，python中有專門的庫進行操作。

圖5 測試功能流程

系統(tǒng)在進入指令等待狀態(tài)后，如果前端操作員登錄，并選擇該設(shè)備，前端將向測控服務(wù)發(fā)送“測試加載”指令，測控服務(wù)會開啟一個線程，對串口數(shù)據(jù)進行采集，并驗證該設(shè)備是否聯(lián)機正常。若數(shù)據(jù)正常，開始循環(huán)采集，并將采集的數(shù)據(jù)按照自定義的格式存入全局變量。當測控服務(wù)收到“開始測試”指令時首先將前端發(fā)送來的配置參數(shù)進行設(shè)置，然后按照采樣周期，定時循環(huán)讀取采集的數(shù)據(jù)變量，并將數(shù)據(jù)添加時間戳后存入數(shù)據(jù)庫，同時向前端推送該數(shù)據(jù)。其流程如圖5所示。

3 前后端通信及測控服務(wù)通信的實現(xiàn)

系統(tǒng)中各模塊之間的數(shù)據(jù)交互是重點開發(fā)內(nèi)容之一。包括前端與Web服務(wù)間的通信、Web服務(wù)與測控服務(wù)間的通信、后端服務(wù)與數(shù)據(jù)庫間的通信、測控服務(wù)與測量設(shè)備間的通信。其中，與數(shù)據(jù)庫的通信本質(zhì)為socket通信，測控服務(wù)與測量設(shè)備間的通信采用Modbus協(xié)議，也相對簡單。前兩項由于可選擇的技術(shù)方案較多，數(shù)據(jù)格式需要自定義，且需雙向通信，情況比較復雜。

前后端之間進行通信一般采用網(wǎng)頁端發(fā)出AJAX請求，服務(wù)器端做出響應(yīng)。在本系統(tǒng)中，除了前端請求數(shù)據(jù)，后端也需要主動將實時采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到前端。為了實現(xiàn)網(wǎng)頁與服務(wù)端實時雙向通信，一般有兩種方式：一是不斷通過客戶端發(fā)送請求，服務(wù)端響應(yīng)，且性能較低。另外一種即使用WebSocket通信技術(shù)。瀏覽器和服務(wù)器只需要完成一次握手，兩者之間就直接可以創(chuàng)建持久性的連接，允許服務(wù)端主動向客戶端推送數(shù)據(jù)，實時性更強，有超時重連和心跳機制，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠，并且支持二進制傳輸。連接創(chuàng)建后，WebSocket客戶端、服務(wù)端進行數(shù)據(jù)交換時，協(xié)議控制的數(shù)據(jù)包頭部較小。在不包含頭部的情況下，服務(wù)端到客戶端的幀頭只有2～10字節(jié)，客戶端到服務(wù)端需要加上額外的4字節(jié)的掩碼?？刂崎_銷小，傳輸效率高。

為了滿足本系統(tǒng)的需求，服務(wù)器與前端之間，使用WebSocket與axios進行頁面數(shù)據(jù)請求與測試數(shù)據(jù)的推送。

前端在Vue框架下，雖然支持WebSocket的原生方法，在后端Flask框架下，一般使用Socket.IO作為WebSocket的實現(xiàn)。但Socket.IO只是將WebSocket和輪詢機制以及其他的實時通信方式封裝成了通用的接口，并且在服務(wù)端實現(xiàn)了這些實時機制的相應(yīng)代碼。因此，WebSocket客戶端連接不上Socket.IO服務(wù)端，同樣Socket.IO客戶端也連接不上WebSocket服務(wù)端。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)前、后端通信，前端必須使用vue-socket.io插件。

4 軟件界面布局及主要功能

根據(jù)前端功能要求，使用Element組件庫進行了頁面開發(fā)。頁面如圖6所示。為了降低開發(fā)難度，本頁面采用常規(guī)后臺管理系統(tǒng)的頁面結(jié)構(gòu)，對顯示內(nèi)容進行了簡單布局。

圖6 測試系統(tǒng)頁面

目前，本系統(tǒng)僅開發(fā)了測試功能頁面，后期將在測試功能完善的基礎(chǔ)上，對接上下游業(yè)務(wù)，實現(xiàn)檢測業(yè)務(wù)的全流程一體化平臺。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)在吸油煙機空氣性能測試實驗中，能夠?qū)崿F(xiàn)全部測試功能，前、后端數(shù)據(jù)交互流暢，界面操作簡單穩(wěn)定，且跨平臺使用十分簡便。系統(tǒng)的各軟件功能耦合性低、復用性強，后期可以在此框架下僅增加測控服務(wù)的功能，就可以實現(xiàn)更多測試項目。同時也可以擴展前端功能，實現(xiàn)與任務(wù)受理、報告出具等業(yè)務(wù)的無縫銜接。