基于二维码的移动巡检新系统的设计与实现*

曾晓辉 ，文成玉 ，陈 超 ，练 艺

（1．电子科技大学 自动化学院，四川 成都 610000；2．成都信息工程学院 通信学院，四川 成都 610000；3．摩托罗拉系统有限公司成都分公司，四川 成都 610000）

物联网的实现可分为标识、感知、处理和信息传送四大环节，其关键技术跨越无线通信、计算机技术、信息传感、识别等领域。物联网技术是通过射频识别(RFID)、无线传感器、全球定位系统等信息传感设备将任何物品与互联网相连，从而实现物与物、人与物之间的信息交互与通信[1]。电力设备智能巡检系统的实现，首先依赖于对电力设备各个环节运行参数的在线监测和实时信息掌控，而物联网作为“智能信息感知末梢”，可成为推动智能电网发展的重要技术手段[2-4]。只有实现多种网络的互联互通，才能提高电力系统信息化水平，实现电力设备巡检系统的全面智能化。

本文首先分析了电力设备的巡检现状，然后针对某水电站巡检的实际需求，设计了基于二维码扫描识别的智能移动巡检系统，并在智能手机平台上实现了该移动巡检服务系统的开发。该系统的设计不仅具备“智能终端”便捷通信的技术特征，且与传统的物联网巡检系统相比，具备诸多优势，因此对于行业内推动电力设备智能移动巡检的普及具有重大的现实意义。

1 电力巡检系统现状分析

目前，电力企业巡检人员通常采用“看、闻、听、摸、问、测”六方法进行移动式巡回检查，以维持电力生产设备的正常性能；或者采用手持移动计算设备（PDA）获取设备信息，利用射频技术（RFID）技术来标识和辅助定位智能电网中的电力设备[5-6]。但要使巡检操作和统计管理更加智能化，普及率更高，目前国内电力设备的智能移动巡检软件仍然存在较大的提升空间，主要体现在以下几个方面：

（1）物联网的核心和基础仍然是互联网，其本质是高度集成的开放式通信系统。因此，第四代智能移动巡检系统应该更多地融合3G移动技术、智能移动终端、二维码信息技术等前沿技术。

（2）普遍使用的RFID设备[7]标识，必须配备相应的手持机PDA，方可读取设备信息。而PDA配套设备等多数造价昂贵，导致电力系统内智能巡检的覆盖率和普及率低，巡检规模大大受限于设备数量和业务复杂度。

（3）巡检的移动性导致设备服务的位置和所处的环境不断变化。目前，手持PDA系统定位通常基于美国GPS系统或者我国的北斗卫星定位系统[8-9]，定位精度的改进还依赖于我国北斗卫星定位系统的完善和成熟；并且对于非户外的电力设备巡检并不理想。此外，巡检前的任务内容通常必须由RS232接口连接传输至PDA，实时更新性不好，个性化更改任务的功能也不具备。

（4）另外，RFID还有一个很大的缺点，它会不时地发出射频信号，从而可能泄露用户的地址，因此不利于用户或者专网的信息安全与隐私保护等。

2 基于二维码的移动智能巡检系统设计

2.1 二维码的技术特性

二维信息码是通过特定几何图形在二维平面上有规律地分布而形成的黑白相间的图像来记录信息，在代码编制上利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念[10-11]。在识别时，即采用智能手机的拍照功能对二维码进行扫描，通过其内置二维码阅读引擎识读该条码后，就能自动识别、处理、解读其中所隐含的信息。

由于前文所提到的RFID的种种局限性，本设计从可扩展性、资源有限性、安全实时性和环境的动态变化性几个方面进行分析，在智能手机平台上设计并开发了该智能移动巡检新系统。本系统的最大优势在于：

（1）以前的巡检系统只是单向的数据采集，而安装了智能巡检系统客户端的手机终端以3G网络和无线通信网络为依托，能够实时地接收到系统推送的服务通知等，也可以实时、双向地对用户发布大量信息，快捷方便。

（2）二维码高密度编码，信息容量大，编码范围广，译码可靠性高，可引入加密措施，易制作，且成本低廉，易推广。

（3）系统服务器端可以针对企业的特殊要求，按需部署各项服务，更能针对后期数据处理和统计，建立QoS评估模型，展开科学化的统计分析及预测，更加有利于后期的服务选择和服务组合。

（4）本系统真正结合了3G移动通信技术和智能手机终端技术，既能降低资源消耗，同时还保证网络传输的精确率，真正地实现了7×24小时的移动巡检。这都是之前所有传统的巡检系统所不能办到的。

2.2 基于二维码的移动巡检系统的设计与实现

由上面分析可知，基于智能终端的物联网相较于现有电力通信网，在环境动态变化性、安全实时性和资源可扩展性等方面都具有较大优势。因此，针对企业电力设备的巡检现状和具体任务需求，本文设计了基于二维码扫描识别的智能手机端新移动巡检系统，将带有摄像头的智能手机终端作为识读二维码的工具，通过客户端软件识读设备上的二维码，进行本地解析，执行业务，并与应用服务器发生在线交互，进而获取各项巡检任务和巡检设备信息，实现各种巡检功能。

该系统主要由客户端、网络和服务器端三部分构成，其中网络主要由Internet、3G、WLAN构成。下面就这三部分的软件设计及功能实现做详细阐述。

2.2.1 系统客户端设计

本系统客户端软件界面采用了C++编程技术，在智能手机的Android操作系统平台上，基于Qt Quick（Qt User Interface Kit）来编写应用程序。同时，采用基于Java语言开发并搭建符合理念和框架的移动巡检服务平台。

图1为该移动巡检客户端平台的模块界面九宫格图。

由图1所示，在功能界面上共有9个模块，而智能移动巡检客户端的用户登录权限共有5个，分为系统管理、领导、维护组长、维护人员、运行人员。系统设计的5种权限将从以上9种模块中选择不同的功能模块组合在一起，进而完成其各自工作任务。

其中，二维码扫描模块的实现采用了ZXing开放源码库以及用Java实现的多种格式的1D/2D条码图像处理库。因此只要智能手机终端安装了本系统的客户端软件，并支持近拍功能，就可以通过扫描电力设备上的二维码，以移动终端和移动互联网作为巡检项目内容信息的存储、解读、处理和传播渠道而实现巡检客户端的各项操作业务。

图1 客户端软件界面

巡检人员（5种权限均可）手持安装本系统软件的智能手机终端执行一般日常巡检任务的情况如图2所示。

图2 智能巡检主要业务流程图

首先，对巡检路线的所有设备按顺序生成加密二维码并存到中心服务器，同时将对应设备二维码条码粘贴在巡检设备上。巡检人员在执行日常任务时，用智能手机终端软件扫描设备二维码，再次从服务器获取该设备待检查的内容项。如发现故障，可以详细记录问题，同时拍摄照片，将图文发送到服务器；如果该设备没有问题，则标记通过，根据提示扫描下一个待检设备。当所有设备都检查完后，就可以通过手机客户端在线或者离线方式保存此次巡检的结果，上传至服务器。

2.2.2 系统数据交互设计

本系统数据交互层设计包含手机智能终端[6]的数据上传、服务器端的数据展现等，采用Web Service技术及SOAP协议的方式实现智能终端和服务器端的实时高效交互，同时对交互接口进行优化设计，以减少在3G条件下的流量消耗。

Web Services体系结构[12]是面向对象分析与设计的一种合理发展，包括SOA中的3种角色和操作、UDDI和 WSDL；而面向服务架构 SOA（Service-Oriented Architecture）是一种组件模型。因此，基于SOA巡检网的核心价值在于，在实时数据和信息感知的基础上，通过对数据和信息的分析处理，更智能地实现动态感知、实时跟踪和定位、基于位置信息的服务发现和部署。服务器端与智能终端数据交互的详细设计如图3所示。

图3 系统数据交互框架设计图

在整个巡检系统中，以数据交互网络为依托，巡检人员不断通过Android智能终端的Web Service交互模块向服务器端上传巡检任务内容、巡检位置轨迹和巡检设备数据；智能巡检系统Web Service服务器端的终端数据上传与下载模块接收之后，会立刻向客户端确认上传巡检点的数据；然后巡检数据会分别存储至服务器端的各模块中。

2.2.3 系统服务器端设计

本系统即该智能移动巡检系统的服务器端，主要包括系统数据库管理系统。该管理服务器软件采用了B/S架构，从技术上引入分层的体系架构，分别是：用户应用层、业务逻辑层、数据访问层。

如图4所示，系统服务器利用Heritrix框架进行特定信息数据的收集，并结合基于Web Service的数据挖掘技术获取信息。它面向多客户端类型（包含智能终端和PC端）提供统一的用户访问接口，业务功能上采用模块化的思路进行设计，围绕对移动巡检设备的支撑、数据分析和信息挖掘等展开。

图4 基于Web Service的系统服务器

该数据库系统一共包括“基础资料管理”、“平台管理”、“巡检资料管理”、“设备数据管理”和“用户数据管理”五大类信息管理模块。同时，也可以通过不同的导出结果生成相应的图表或者保存数据内容。具体查询结果如图5所示。

图5 巡检系统结果查询

该系统服务器端具有非常大的伸缩性和跨平台特性，能够根据访问量的大小对服务器端的部署进行灵活配置。在安全性方面使用加密的Https协议、数据加密，以满足企业对信息安全的要求。

2.2.4 系统应用

通过模拟调试和现场测试，整个智能移动巡检系统运行良好，在信息安全实时性、智能化服务和部署灵活方面都充分达到了企业巡检的要求。该系统具体测试结果如下：

（1）响应能力：当用户数小于 200人时，登入系统和登出系统的响应时间维持在0.5 s之内；管理员信息修改、保存功能的响应时间小于1 s；显示界面的响应时间小于 2 s。

（2）可靠性：经测试发现，服务器系统能连续不间断地运作30天，未出现任何程序崩溃、服务中断访问或者功能异常等情况。

（3）负载能力：受条件限制，在单位内进行了简单测试，同时用户在线的最大的负载量不超过200时，响应延迟都在系统正常的响应时间范围内。

本文设计并实现了基于二维码的智能手机移动终端的新型电力设备巡检系统，该系统支持包括Android系统的多类型智能手机终端，并具有“傻瓜”式的用户接口，对人员技术要求低，极大地方便了用户的维护和使用。与传统的PDA巡检方式相比，整个巡检系统的可扩展性、资源有限性、安全实时性和环境的动态变化性等方面都有所提升，对发电设备的透明化监测、高效化管理具有现实意义。同时，该巡检系统方案已经在某大型水电站进行了现场实施和运行，达到企业预期要求。相信未来在我国电力设备巡检行业中的应用前景良好。

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