Android平台下的碳纤维工业移动监测系统

,2 ,2 ,2

(东华大学信息科学与技术学院1，上海 201620；数字化纺织服装技术教育部工程研究中心2，上海 201620)

0 引言

碳纤维是一种以聚丙烯腈、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90%的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等优异性能，广泛应用于军事和民用领域[1]。

我国研制碳纤维已有40余年的历史，但生产的碳纤维质量较发达国家而言，仍处于较低水平，关键问题是碳纤维原丝质量未过关。影响碳纤维原丝质量的工艺指标很多：①纺丝原液的浓度、温度；②凝固浴液的浓度、温度；③拉伸浴液的浓度、温度；④热定型温度等。对这些工艺指标的监测和控制是制备高质量碳纤维原丝的关键[2-3]。

复杂工业过程工艺多、流程长，系统地域跨度性较大，传统的现场总线及固定站点监测不能满足工业的需求。随着智能手机和无线通信技术的快速发展和普及，智能手机应用到工业监测中的条件已经成熟。而Android系统是基于Linux的开源操作系统平台，其凭借开放性技术，大大降低了产品的开发成本，有助于在激烈的市场竞争中获得用户青睐[9]。

为了实现在移动终端上的远程监测，本文设计并开发出一套基于Android平台的碳纤维工业移动监测系统。该系统实现了监控人员对现场的实时监测，降低了监测人员的工作强度和监测成本，提高了监测水平。

1 碳纤维工业移动监测系统框架设计

碳纤维工业移动监测系统由工业现场传感器、RS-232/485串口监视器、RS-232/485蓝牙转换器、蓝牙模块和Android手机构成。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

① 工业现场传感器是指碳纤维加工工艺流程中的浓度、温度等传感器。数据采集部分集成在C51系列单片机上，构成数据采集系统，实现对工业现场传感器数据的转换。

② 蓝牙模块选用主-从一体式蓝牙串口模块，配置为从设备被动连接Android手机。

③ Android手机上安装碳纤维工业移动监测系统软件，通过连接工业现场的蓝牙模块与现场进行数据交互；显示实时采集到的传感器数据；对实时数据进行判断，越过数据安全范围时实现报警提示；将采集到的数据存入数据库。

2 碳纤维工业移动监测系统的实现

系统主要实现基于Android平台下的碳纤维工业移动监测功能，使现场监控人员可以用Android手机实时监测工艺指标的实时值及变化情况。系统基本功能框图如图2所示。

图2 碳纤维工业监测系统功能框图

在系统功能框图中，软件系统部分主要包括蓝牙通信模块、实时报警模块、数据监测模块、数据库模块和远程交互模块。

2.1 蓝牙通信模块

蓝牙通信实际上是一种短距离无线数据与语音通信技术。在Android平台上进行蓝牙通信开发需要用到的类及相应的方法均位于android.bluetooth包中。

对于该碳纤维工业监测系统，Android端作为客户端主动连接工业现场传感器端的蓝牙模块并建立通信连接进行数据传输。具体步骤如下。

① 建立一个BluetoothAdapter对象，用于描述本地的蓝牙适配器设备(如本地蓝牙MAC地址、名称、当前状态等)。建立两个BroadcastReceiver对象，一个用于完成蓝牙设备搜索的接收器，一个用于发现蓝牙后进行消息接收的接收器。

② 使用步骤①中实例化后的BluetoothAdapter对象中的startDiscovery()方法开始执行搜索，并用实例化后的BroadcastReceiver对象中的onReceive()方法获取搜索到的蓝牙设备信息。

③ 建立一个BluetoothDevice对象，用于描述步骤③搜索到的一个远程蓝牙设备，并用其创建一个带有各自设备的连接。

④ 使用步骤③中BluetoothDevice创建的连接建立一个BluetoothSocket对象；使用BluetoothSocket对象中的connect()方法建立连接。

⑤ 连接建立之后，使用BluetoothSocket对象中的getInputStream()和getOutputStream()方法进行通信。

通过上述步骤，Android手机端可与工业现场传感器端的蓝牙模块建立通信并进行数据传输。

2.2 实时报警模块

在碳纤维工业生产中，由于传感器损坏等因素导致的工业参数异常，可以由碳纤维工业移动监测系统对实时采集到的数据进行数值取值范围的判断，从而进行捕捉，再通过Android手机发出报警，提示现场监控人员。主要代码如下。

public void alarm(String sensor){

int temp = TransferData.getnowx();

boolislarm = checkdata(temp);

if(islarm == true)

{

Looper.prepare();

New AlertDialog.Builder().setTitle("警告：").setMessage(sensor +"对应的传感器工位出现数据异常！请速去现场检查！").setPositiveButton("确定",null).show();

soundPol.play(soundMap.get(1),1,1,0,0,1);

Looper.loop();

}

}

以上代码中，参数sensor为出现异常对应的蓝牙模块名称，参数temp为实际温度值或浓度值等。

2.3 数据监测模块

对于大部分传感器来说，一般采用数字方式显示数据。而对于碳纤维凝固浴液温度的传感器，监控人员既需要了解工艺参数的具体数值，又需要观察工艺参数的数据走势，实现类似示波器的功能。因此，该碳纤维工业移动监测系统的数据显示模块分为数字显示和波形显示两部分。

2.3.1 数字显示

数字显示的实现相对简单，其主要通过一个Textview组件来显示数据。通过setText()方法添加蓝牙模块接收到的数据，实时刷新Textview组件便可观察工艺参数的实时数值。

2.3.2 波形显示

波形显示部分的实现分为两步。第一步是在得到实时数据后，通过坐标变换将量程和实时数据进行相应的比例变换，以适应于Android系统的坐标系。实现代码如下。

publicint transfer(int temp){

return(temp/range)*(height/2);

}

其中，参数temp为实际温度值(或浓度)，range为量程，height为绘图部分的高度。

第二步是绘制波形。Android提供了两个用于绘图的类：View和SurfaceView。SurfaceView拥有双缓冲机制，且避免了View在程序需要更新图像时必须重绘整张图像所带来的效率低下问题。相比SurfaceView，View能够更好地实现波形显示的功能。程序每次绘制时只需要绘制(更新)当前点的波形，前面已经绘制的波形无须更新。核心代码如下。

public void run(){

paint = new Paint();

int cx = TransferData.getnowx();

int cy = TransferData.getnowy();

Canvascanvas =holder.lockCanvas(

newRect(cx,cy-2,cx+2,cy+2));

canvas.drawpoint(cx,cy,paint);

cx++;

holder.unlockCanvasAndPost(canvas);}

从上面的程序可以看出，当程序每次绘制实时的数据点时，程序无须重绘整个画面，Holder只要锁定当前绘图的小范围即可。系统更新图像时也只需要更新这个范围即可,具有很好的画面性能。

2.4 数据库模块

在碳纤维工业实际监测过程中，应用程序中的数据量较大，且需要进行大量插入、更新、查询等操作，如果使用文件流的方式来保存数据,就会显得效率低下。这里选用轻量级的关系型数据库SQLite。

通过SQLiteDatabase.openOrCreateDatabase()方法打开或创建一个SQLite数据库;通过一个定时器Timer每隔一段时间插入一个表。主要代码如下。

public void createDatabase(){

SQLiteDatabase.openOrCreateDatabase("pancf_temp.db3",null)；

}

public void createTable(){

sql = "create table datatable(data_id integer primary key,"

+ "tempvarchar(255), "

+ "con varchar(255)) "

Db.execSQL(sql);

}

2.5 远程交互模块

相比远程监控中心监控人员，工业现场监控人员能够更好地了解和分析现场情况,并可以根据经验做出相应的判断和决策，如碳纤维工业PID参数设定、控制电机的启停等。碳纤维工业移动监测系统通过交互模块模拟现场控制，将模拟控制信息通过短信发至远程监控终端，并由远程监控终端短信反馈信息。部分代码如下。

Public voidsendmessage(){

String num = RemoteControl.num;

String content =ControlPanel.getinform();

PendingIntent pi =PendingIntent.getActivity

(SendSms.this,0,new Intent(),0);

SmsManagersm = new SmsManager();

Sm.sendTextMessage(number,null, content,

pi,null);

Toast.makeText(SendSms.this, "短信已发送

成功",8000).show();

}

以上代码中，参数num为远程监控终端的短信中心号码，参数content为通过getinform()方法获取的模拟控制信息。

3 系统测试结果

本文主要描述了3个模块的测试效果，分别为数据报警模块、数据监测模块和远程交互模块。在实际界面中，右上角的绿色R和红色T标记分别为蓝牙通信的接收和发送的数据包大小，用于计算通信流量；左下角为模式切换按钮，用于切换到其他模式；右下角为断开连接按钮，用于断开蓝牙连接。

数据监测模块可以实现数字显示刷新凝固浴温度等变量。刷新时间由该蓝牙模块所在工位的凝固浴温度等传感器采集频率决定。而数据监测模块中波形显示凝固浴温度界面的波形是由数个坐标点构成，每一个坐标点都是一次实时采集的凝固浴温度。在数据报警模块中，当某一时刻采集的实时数据越界时，报警对话框弹出并进行报警，实际使用中Android手机会有报警语音提示。在远程交互模块中的现场控制模拟界面，点击发送即可通过短信发至远程监控终端，提交所选信息。

4 结束语

本文以碳纤维工业生产为背景，基于Android平台设计并开发了碳纤维工业移动监测系统。系统实现了远程实时监测的一系列功能，降低了监测人员的工作强度和监测复杂度，提高了监测水平。目前，Android等一系列移动终端在碳纤维工业上的应用很少，而利用移动终端便携的优势对碳纤维工业生产监测是其在工业领域应用的一大需求。若将本地存储方式改为云存储，移动终端加入4G网络，并对软件系统作进一步的优化与升级，那么工业监测领域将踏入云时代。

[1] 贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2] 陈佳佳,丁永生,郝矿荣，等.碳纤维拉伸工艺优化的多目标动态规划方法[J].材料导报,2011,25(6).

[3] Canton G,Kulinsky L,Madou M J.Electro-mechanical spinning:a new manufacturing technique for micro/ nano-fabrication of carbon fibers[C]∥Advanced Packaging Materials(APM),2013 IEEE International Symposium，2013:230-239.

[4] 周强，丁永生，郝矿荣,等.碳纤维原丝纺丝过程的在线监控协同式专家系统[J].石油化工自动化,2012,48(1).

[5] 陆宁云,王福利,高福荣,等.间歇过程的统计建模与在线监测[J].自动化学报,2006,32(3).

[6] 宋欣,王翠荣.基于线性回归的无线传感器分布式数据采集优化策略[J].计算机学报,2012,35(3).

[7] 葛志强,刘毅,宋执环,等.一种基于局部模型的非线性多工况过程监测方法[J].自动化学报,2008,34(7).

[8] 许强,赵宏,江早.一种新颖的智能网络图像内容监测系统模型[J].软件学报,2002,13(3).

[9] 吴晶.Android手机端远程监控系统的设计与实现[D].上海：上海交通大学,2012.

[10]Moon S W,Kim Y J,Myeong H J,et al.Implementation of smartphone environment remote control and monitoring system for Android operating system-based robot platform[C]//8th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence(URAI),Incheon,2011:211-214.