基于安卓移动设备的嵌入式监控系统设计方法

齐继阳，孟 洋，李金燕，王凌云

（江苏科技大学 机械工程学院，镇江 212003）

近年来，由于信息技术的飞速发展，安卓移动设备已成为人们生活中密不可分的必需品，尤其是基于安卓系统的手机和平板电脑，拥有非常大的市场占有率。利用这些装有安卓系统的手机或平板电脑对目标物体进行监控，既保证了监控过程的连续性与方便性，又具有低成本和普遍性的特点，代表着未来监控系统平台的发展方向[1-2]。

目前，嵌入式监控系统已经得到广泛的应用。文献[3]中基于安卓手机平台和GPRS通信技术的水质参数无线远程监控系统实现了对水位、温度、PH值和溶氧等水质参数信息的远程采集、存储与管理，并且实现对控制节点的远程控制；文献[4]设计了一种便携的基于安卓平台的脑-心电监护系统，该系统由脑-心电模块、WiFi模块、数据处理、监测模块和医疗服务器组成，实现对目标人群脑电、心电的远程监控。从这些应用实例可看出，嵌入式监控系统已被应用到各个领域，并取得显著效果。

1 嵌入式监控系统简介

嵌入式系统是如今最热门的概念之一。根据英国电气工程师协会 （U.K.Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统是“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”。嵌入式系统与通用计算机系统不同，它通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务[5]。由于嵌入式系统只是针对一项特殊的任务，故通常进行大量生产以降低单个成本。将嵌入式系统灵活地运用在监控系统中，形成如今非常普及的嵌入式监控系统。

图1 嵌入式监控系统硬件结构图Fig.1 Hardware structure of embedded monitoring system

嵌入式监控系统的硬件结构如图1所示，整个系统由监控终端、上位机、下位机和输入、输出元件4大部分组成。本文将针对安卓手机或平板电脑作为监控终端，对嵌入式监控系统开发方式进行具体说明。

2 嵌入式监控系统开发方式

本文针对嵌入式监控系统在工业领域的应用，介绍了4种基于安卓移动设备的嵌入式监控系统设计方法。

2.1 PLC作为嵌入式Web服务器

以PLC作为嵌入式Web服务器，操作人员可通过Web页面直接访问PLC内相关数据。借助这些Web页面，安卓移动设备可通过自带的Web浏览器实现对PLC内信息的访问[6]。下面针对PLC作为嵌入式Web服务器开发方式进行硬件结构概述。

如图2所示，描述了典型的以安卓移动设备作为监控终端，PLC作为嵌入式Web服务器的监控系统硬件结构框架。该系统主要由安卓移动设备（安卓手机、安卓平板电脑等）、路由器、PLC、输入元器件（如角度传感器、温度传感器等）、输出元器件（如电机、继电器等）等硬件组成。

图2 PLC作为嵌入式Web服务器的监控系统硬件结构Fig.2 Hardware architecture of monitoring system using a PLC as an embedded web server

在整个监控系统中，数据的监测由安卓手机或者安卓平板电脑执行。通常，安卓智能手机具有很高的CPU配置、大容量的ROM和RAM，保证了监控过程和数据存储过程的稳定性。在此监控系统中，路由器为普通路由器，但对于PLC有具体的性能要求，所选用的PLC必须具有作为嵌入式Web服务器的功能（如西门子S7-1200系列PLC），才能使操作人员通过Web浏览器实现对PLC的直接访问，进而实现对现场设备的监控。当安卓手机或者安卓平板电脑处于有网络的情况下，可以通过自带的Web浏览器访问作为服务器端的PLC，实现对PLC信息的访问和现场设备的监控。

以西门子S7-1200系列的PLC为例，针对S7-1200系列的PLC作为Web服务器的开发方式具体设计思路如下：

（1）首先进行硬件连接，系统架构如图2所示；

（2）使用 HTML 编辑器（如 Microsoft Frontpage）创建HTML页面；

（3）使用西门子PLC专用编程软件STEP7进行组态，并读取和处理HTML页面；

（4）基于HTML页面生成程序块；

（5）对STEP7进行编程设计，用来控制 HTML页面的使用；

（6）使用STEP7开启PLC的Web服务器功能，设置PLC的IP地址，并将编译好的程序块下载到PLC中；

（7）通过安卓移动设备即可访问PLC内自定义的Web页面，实现对PLC的监控。

当完成了如上的设计步骤之后，用户可以使用安卓移动设备的浏览器访问S7-1200服务器端的Web控制页面，进而实现对现场设备的如下操作：

·改变现场设备的工作模式（STOP和RUN）；

·改变现场设备的运行参数（速度、时间、方式等）；

·读取现场设备的工作状态和运行参数；

·对现场设备设置报警通知等。

在以PLC作为嵌入式Web服务器的开发方式中，安卓移动设备作为上位机和监控终端的集合体，PLC作为下位机，安卓移动设备可以通过自带的Web浏览器访问目标PLC的嵌入式服务器来实现对现场设备的控制，操作人员无需在现场就可实现对目标设备的远程监控。

2.2 触摸屏作为嵌入式Web服务器

以触摸屏作为嵌入式Web服务器，操作人员可以通过Web浏览器来访问触摸屏，进而实现对PLC内部数据的访问。通过访问这些Web页面，可实现通过安卓移动设备访问触摸屏的嵌入式服务器，再通过触摸屏来实现对PLC的操作，进而实现对现场设备的监控。下面针对触摸屏作为嵌入式Web服务器开发方式进行硬件结构概述。

如图3所示，描述了典型的以安卓移动设备作为监控终端，触摸屏作为嵌入式Web服务器的监控系统硬件结构框架。该系统由安卓移动设备、路由器、触摸屏、PLC、输入元器件、输出元器件等组成。

图3 触摸屏作为嵌入式Web服务器的监控系统硬件结构Fig.3 Hardware architecture of monitoring system using touch panel as the embedded Web server

在整个监控系统中，数据的监测由安卓手机或安卓平板电脑执行。在此监控系统中，路由器为普通的路由器，PLC同样为普通的PLC，无特殊要求。但是对于触摸屏有具体的性能要求，所使用的触摸屏必须具有作为嵌入式Web服务器的功能（如施耐德MagelisXBTGT系列触摸屏），操作人员通过Web浏览器对触摸屏的嵌入式服务器进行访问，间接实现对现场设备的监控。当安卓手机或安卓平板电脑处于有网络的情况下，用户可通过安卓移动设备自带的Web浏览器访问触摸屏的嵌入式服务器，实现对PLC的控制，间接实现对现场设备的监控。

以施耐德MagelisXBTGT系列触摸屏为例，针对施耐德MagelisXBTGT系列触摸屏作为Web服务器的具体设计思路如下：

（1）首先进行硬件连接，系统架构如图3所示；

（2）编写PLC程序，并下载到PLC中；

（3）使用Vijeo-Designer组态软件设定触摸屏的IP地址，并开启数据共享功能；

（4）使用Vijeo-Designer编写触摸屏程序，设置程序中变量的共享属性，并将程序下载到触摸屏内；

（5）调试触摸屏与PLC之间的通讯，确保程序的准确性；

（6）通过接入网络的安卓移动设备即可访问触摸屏内的Web控制页面，间接实现对PLC的监控。使用手机浏览器访问触摸屏的嵌入式Web服务器所显示的控制界面。

当完成了如上设计步骤后，用户可使用安卓移动设备的浏览器访问MagelisXBTGT系列触摸屏服务器端的Web控制页面，进而实现对现场设备的操作。通过此Web页面对现场设备的操作与PLC作为嵌入式Web服务器对现场设备的操作相同。

在触摸屏作为嵌入式Web服务器的开发方式中，PLC作为下位机，触摸屏作为上位机，安卓移动设备作为监控终端。安卓移动可通过自带的Web浏览器访问所要监控触摸屏的嵌入式服务器，操作人员无需在现场就可实现对现场设备的远程监控。

2.3 基于VNC的嵌入式监控系统

VNC（virtual network computing）是虚拟网络计算机的缩写，是一种使用RFB（remote frame buffer）协议的屏幕画面分享及远程操作软件。此软件借助网络，可传送键盘与鼠标的动作及实时的屏幕画面。VNC系统由客户端、服务器端和一个协议组成，其服务器端分享其所运行机器的屏幕，服务器端被动地允许客户端控制它，而VNC客户端控制服务器端[7]。VNC与操作系统无关，因此可跨平台使用。下面针对VNC开发方式进行硬件结构概述。

如图4所示，描述了典型的以安卓移动设备作为监控终端，基于VNC的键入式监控系统硬件结构框架。该系统由安卓移动设备、路由器、上位机（如IPC、触摸屏等）、下位机（如 PLC、单片机等）、输入元器件、输出元器件组成。

图4 基于VNC的键入式监控系统硬件结构框架Fig.4 Hardware architecture of monitoring system based on VNC

在整个监控系统中，数据的监测由安卓手机或者安卓平板电脑执行。此监控系统中，路由器为普通的路由器，上位机（如PC机或触摸屏）必须具有能够接入局域网的功能，PLC也无特殊要求。但是此种开发方式要求所使用的安卓移动平台必须装有VNC客户端，才能使安卓移动设备通过VNC客户端访问上位机，显示上位机的操作界面，实现对下位机控制，进而实现对现场设备的监控。

以步科MT4414系列的触摸屏作为VNC服务器端，安卓移动设备作为VNC客户端为例，针对触摸屏MT4414TE触摸屏的VNC开发方式具体设计思路如下：

（1）首先进行硬件连接，系统架构如图4所示；

（2）编写PLC程序，并下载到PLC中；

（3）使用HMIware组态软件设定触摸屏的IP地址；

（4）使用HMIware组态软件编写触摸屏程序，并下载到触摸屏内；

（5）调试触摸屏与PLC之间的通讯，确保程序的准确性；

（6）安装手机VNC客户端，通过在接入网络的安卓移动设备VNC客户端中输入触摸屏对应的IP地址，即可访问触摸屏的操作界面，从而实现对下位机的监控。

当完成了如上的设计步骤之后，用户可使用安卓移动设备的VNC的客户端对现场设备进行操作，其具体操作方式和PLC作为嵌入式Web服务器方法中的操作方式相同。

在基于VNC的键入式监控系统开发方式中，PLC作为下位机，触摸屏作为上位机，安卓移动设备作为监控终端。安卓移动设备可通过VNC客户端输入对应的IP地址访问目标触摸屏，操作人员无需在现场就可实现对目标设备的远程监控。

2.4 安卓监控系统APP的开发

APP是英文Application的简称，由于近年来安卓智能手机的流行，现在的APP多指智能手机的第三方应用程序。因此可开发用于监控系统的安卓APP，使用所开发的安卓APP对目标对象实现监控[8]。下面针对APP开发方式进行硬件结构概述。

如图5所示，描述了典型的以安卓移动设备作为上位机和监控终端，应用安卓APP开发方式的监控系统硬件结构框架。该系统由安卓移动设备、路由器、PLC（或其它下位机）、输入元器件、输出元器件组成。

图5 使用安卓APP的监控系统硬件结构Fig.5 Hardware architecture of monitoring system based on Android APP

在整个监控系统中，数据的监测由安卓手机或者安卓平板电脑执行。监控系统中的路由器为普通的路由器，所选取的PLC必须能够接入网络，对输入、输出元件无特殊要求。但是此种开发方式要求所使用的安卓移动平台必须装有所开发的APP应用程序，才能使安卓移动设备通过IP地址访问下位机，从而通过APP应用程序直接对现场设备实现监控。

通常，用于监控系统安卓APP的开发方式是多种多样的，在这里主要举出2种比较广泛运用的监控系统APP开发方式。一种是基于安卓应用程序开发平台，运用Java或C++等语言开发用于监控系统的安卓APP；另一种是基于组态软件，运用组态软件（如mySCADA）开发用于监控系统的安卓APP。

以mySCADA为平台开发安卓APP应用程序为例，安卓移动设备作为APP应用程序的载体，针对安卓APP开发方式具体设计思路如下：

（1）首先进行硬件连接，系统架构如图5所示；

（2）编写PLC程序，并下载到PLC中；

（3）使用mySCADA软件开发用于监控系统的安卓APP；

（4）在安卓移动设备上安装监控系统APP；

（5）调试安卓移动设备与PLC之间的通讯，使用所开发的APP进行监控。如图6所示，安卓移动设备上运行mySCADA所开发的APP控制界面[9]。当完成了如上的设计步骤之后，用户可使用所开发的安卓APP客户端对现场设备进行操作，其具体操作方式和PLC作为嵌入式Web服务器方法中的操作方式相同。

图6 基于mySCADA开发的安卓APPFig.6 Android APP developed by mySCADA

在手机APP的开发方式中，PLC作为下位机，安卓移动设备作为上位机和监控终端。安卓移动设备可通过APP客户端访问对应IP地址的PLC，实现对目标PLC的远程监控。

2.5 开发方式比较

以上4种嵌入式监控系统开发方式，都有各自的优缺点，其比较如表1所示。

表1 四种开发方式比较Tab.1 Comparison of four development methods

3 结语

本文阐述了4种基于安卓平台的嵌入式监控系统开发方法，4种开发方法都是基于网络系统来实现的，对现场设备的操作方式基本相同。当使用PLC作为嵌入式Web服务器或安卓APP这2种开发方法时，PLC作为安卓移动设备访问信息的载体。当使用触摸屏作为嵌入式Web服务器或使用VNC这2种开发方法时，触摸屏作为安卓移动设备访问信息的载体。不论所访问信息的载体是PLC还是触摸屏，最终都是可以通过终端的安卓移动设备对目标设备进行远程访问与监视。

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[9]苏州库德莱兹自动化技术有限公司.全新一代组态软件[EB/OL].（2014-12-28]）.http：//www.coderise.cn/product/myscada-mobile/portfolioID=740.