二维码与APP+WiFi的水情设备巡检应用研究

于兴晗，侯煜，郭易，盖优普

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

二维码与APP+WiFi的水情设备巡检应用研究

于兴晗，侯煜，郭易，盖优普

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

随着移动互联网和智能设备的发展普及，二维码应用出现了爆发式的增长。本文介绍了一种利用二维码信息处理技术来简化水情设备巡检工作流程的解决方案。通过本文实现的APP解决了在设备巡检过程中，携带纸笔不方便、现场记录困难等问题。

二维码；APP；巡检；水情设备

引 言

随着移动互联网和智能设备的发展普及，二维码应用出现爆发式的增长。利用二维码自身的优势(入口多、可追溯、成本低、精准、信息容量大，使用方便等)结合云平台及智能手机APP开发技术，可以开发出一套简捷、高效、精细的巡检报告自动生成解决方案，解决上述问题。

1 系统设计

1.1 二维码简介

二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的，在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等，同时还具有对不同行的信息自动识别功能及处理图形旋转变化点。

二维码主要特点有：

① 高密度编码，信息容量大：可容纳多达1850个大写字母或2 710个数字，或1108个字节，或500多个汉字，比普通条码信息容量高约几十倍。

② 编码范围广：可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码，用条码表示出来，可以表示多种语言文字，可表示图像数据。

③ 容错能力强，具有纠错功能，这使得二维条码因穿孔、污损等引起局部损坏时，照样可以正确得到识读，损毁面积达50%仍可恢复信息。

④ 译码可靠性高，比普通条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一。

⑤ 可引入加密措施，保密性、防伪性好。

⑥ 成本低，易制作，持久耐用。

⑦ 条码符号形状、尺寸、大小比例可变。

⑧ 二维条码可以使用激光或CCD阅读器识读。

1.2 引入方案

将二维码信息技术引入水情设备巡检报告系统，需要解决3个主要问题:① 二维码如何识别，识别的信息如何处理(包括信息展示、存储、分享和备份等);② 如何与水情设备交换信息，报告系统如何与巡检设备建立连接，采样何种通信方式等;③ 二维码如何生成，包括如何对存储信息进行编码，如何对编码内容进行压缩，减少二维码信息量，以提高二维码扫描效率。

图1 系统连接示意图

结合上述问题，本文引入了智能手机APP+WiFi配件的设计方案，通过智能手机APP来处理二维码信息(包括识别和生成)，通过WiFi配件与水情测报系统中的遥测站进行信息交换。整个系统连接示意图如图1所示。智能手机是实现整个系统的核心硬件，利用智能手机的强大处理能力来对二维码信息进行处理，并增加二维码信息处理的手段，如信息的分享、压缩以及二维码信息的识别等。WiFi配件是实现整个系统的关键部分，只有通过WiFi配件才能使水情设备和智能手机建立联系，实现信息交互。

图3 WiFi配件原理框图

1.3 工作流程

采用第1.2节所述的设计方案，水情设备巡检工作流程如图2所示，可以看出，整个巡检的大部分工作均可以使用APP来实现，整个工作过程只需要将WiFi配件接入系统，打开APP记录即可，不需要携带纸笔和工具箱等繁重的工具，进一步减轻了巡检工作人员的工作量，提高了工作效率。

图2 工作流程图

1.4 WiFi配件原理框图

由图1可以看出，WiFi配件是整个系统实现的关键硬件，是智能手机和水情设备进行信息交互的桥梁，WiFi配件性能的好坏直接影响整个系统的效率。WiFi配件原理框图设计如图3所示。

本文所设计的WiFi配件主要配合本院的水情测报产品并考虑同行业相同产品的兼容性，同时减少了WiFi配件的体积，提高了WiFi配件的便携性，WiFi配件采用自定义的DB9接口与遥测站的串口相连，配件电源也由DB9接口引入，为了提高配件的适用性，还另外提供了单独的电源输入口，可以使用外部单独的电源模块供电，电压范围为4～12 V。另外，配件使用PCB天线代替外接天线更进一步减小了WiFi配件的尺寸。

2 关键技术

2.1 二维码识别

二维码识别技术依阅读原理的不同可分为：

① 线性CCD和线性图像式阅读器(Linear Imager),这种方式可阅读一维条码和线性堆叠式二维码(如PDF417)，在阅读二维码时需要沿条码的垂直方向扫过整个条码，称为“扫动式阅读”;

② 带光栅的激光阅读器,可阅读一维条码和线性堆叠式二维码,阅读二维码时将光线对准条码，由光栅元件完成垂直扫描，不需要手工扫动;

③ 图像式阅读器(Image Reader),采用面阵CCD摄像方式将条码图像摄取后进行分析和解码，可阅读一维条码和所有类型的二维条码。

本文提到的设计方案中，使用图像式阅读器。

2.2 自定制GIS系统

一般在水情设备巡检报告中，需要提供详细的地理信息(如经纬度、海拔以及安装地点的地区编码信息等)，这些地理信息，在一般的地图应用中是不提供的，需要专门的APP应用来测量，再由巡检工作人员用笔记录在纸质报告中。为进一步简化巡检工作人员的工作流程，提高巡检工作效率，本文在设计APP时，引入了自定制GIS系统，使用专用的地图API开发出用于提供设备所处位置地理信息的GIS系统，为智能手机APP生成报告时自动填充水情设备位置的地理信息。

同时，为了提高自定制GIS系统的适用性，本文在设计APP时，还提供了专门的定位页面，用于用户自己查询设备所处位置的地理信息，以便用于其他领域。

2.3 自定制报表系统

针对不同的用户群，使用的报表选项可能不同，为了满足大部分的客户要求，本文设计了两种可自定制报表的方式。

① 选项方式:报表的所有选项都是可选项，不需要的选项可以通过不勾选或者点击左滑菜单的“删除”按钮删除该项；点击左滑菜单的“增加”按钮可以增加新的同级选项，即报告的标题列或者是内容列；点击左滑菜单的“分享”按钮,即可以调用智能手机上所有可以应用的手段来处理报告选项，增强了报告选项的可操作性。

② 模板:报表的选项可以使用用户提供的模板来实现，用户通过分享页面导入自己定义的报告模板文件，智能手机APP即会将报告模板的内容以键值对的形式展开，用户可以根据自己的要求再次定制，勾选选项或者使用选项的左滑菜单。

2.4 手写签名系统

针对不同的需求，有些巡检报告可能需要巡检工作人员自己手写签名；为了满足这一需求，在设计APP时，增加了手写签名系统，用户可以在手机屏幕上通过手写自己签名添加到报告中，完成报表。

同时，为了增加APP的应用领域，本文在设计APP时，增加了单独的手写签名页面，通过此页面，巡检工作人员可以将自己的手写签名存成位图或者SVG矢量图，位图背景可以选择为白底或者透明，以便在其他系统中使用。

2.5 Material Design

Material Design中文名为质感设计，是由Google推出的设计语言，这种设计语言旨在为手机、平板电脑、台式机和其他平台提供更一致、更广泛的外观和感觉。 Material Design语言的一些重要功能包括系统字体Roboto的升级版本，同时颜色更鲜艳，动画效果更突出。谷歌的想法是让谷歌平台上的开发者掌握这个新框架，从而所有应用就有统一的外观，就好像是苹果向开发者提出的设计原则一样。谷歌还基于这种新的设计语言对本公司旗舰应用进行了重新设计，包括安卓和网页端的Gmail和Calendar。

3 实 现

3.1 Navigation Drawer

APP的主界面如图4所示，使用Material Design设计风格，菜单采用的是主流的Navigation Drawer，为了提高用户的体验，菜单的滑出还采用了滑屏和按键两种触发方式，(a)为快速导航菜单，(b)为系统快捷操作菜单。

图4 APP主界面

3.2 信息窗体

信息窗体主要功能是监控设备运行状态，通过监控设备串口输出数据流来判断水情设备的运行状态，为了减轻水情设备的工作负担，可以在遥测设备处于空闲状态时对设备进行维护。为了增加用户体验和后续美化扩展，在实现上采用了列表形式，每个列表元素都采用了标题+卡片的表现形式，通过卡片增加了信息的可读性和展示的美观性，有利于后续的功能扩展，如长按可以将卡片信息分享给其他APP，针对每个卡片进行单独处理等。同时信息窗体还增加了瀑布流的动画效果，窗体实现如图5所示。

图5 信息窗体设计

窗体的所有信息都可以通过右侧快捷操作中的“存储信息选项”存成信息文件，再通过分享页面将文件共享，供其他远端用户处理。

3.3 二维码识别

在实际应用中，巡检人员到达现场，先将WiFi配件插入待检设备串口，启动右侧菜单“扫一扫”选项，如图6所示。将二维码定位到方框内即可非常迅速地将二维码信息解析出来，此时通过左侧导航菜单切换到参数设置页面，就可以查看设备的设置参数值，通过参数设置页面对设备的参数进行查询、修改或者存储。

点击右侧快捷操作菜单的“生成二维码”选项，则可以将设备维护信息生成二维码，界面如图6右侧所示，点击“存储”按钮，即可将生成的二维码存储成位图，将存储的位图打印出来，或者制成印刷品，贴在机箱外面，供巡检工作人员扫描时使用。点击“解析位图”选项，可以解析以位图存在的二维码。

图6 二维码扫描

图7 参数窗体设计

在遥测站中，有100多个参数需要设置、查询和管理，在手机APP UI设计中，如何合理使用手机有限的显示区域，又使用户快速定位参数，是此窗体设计的关键。在本设计中，采用了分页面管理的方式，将100多个参数共分成12页，每页的参数又采用具有瀑布流动画效果的表格来展示，每个参数都是采用卡片的形式展示，页面之间切换可以采用滑屏和具有动画效果的底部列表选择两种方式，使用户可以快速定位到自己关心的参数，从而完成设置。为了减少界面元素，窗体还采用了下拉刷新的功能来查询参数。窗体实现如图7所示。点击右侧菜单的备份选项，可以将最后得到的参数信息存储成配置文件，再通过分享页面与其他设备共享。

3.4 自定制GIS系统

图8 GIS系统

点击左侧快速导航菜单的“定位”选项，启动定位窗口，显示地图信息如图8所示。在实际工作中，可以在巡检工作扫码之前启动，也可以在生成报表之前启动，得到的地理信息将存储在智能手机里，在生成报告时自动加载。“CLEAR”按钮清除标记，“RESET”按钮重新定位并显示标记标识，点击则显示相关的地理信息。

3.5 报表系统

报表系统是此APP的核心功能，可以自动生成excel格式的报表；对于报告的使用选项，点击、勾选选项即可自动生成相应内容；直接点击修改内容即可启动输入软键盘，通过软键盘直接可以进行修改，如图9所示。

同时，报表系统列表选项的最后有手写签名选项，选中该项，弹出手写界面如图10所示，点击“确认”按钮即可将手写签名加入报告，点击“取消”按钮则使用键盘输入签名。

点击列表最后的“保存”按扭，可以生成报告；点击“模板”按扭，将生成报告模板，可以在分享页面中加载使用。

在屏幕上沿着“选项”或者“内容”向左滑动，启动左滑菜单如图9右侧所示，“增加”按钮增加同级内容，标题可自定义；“分享”可以利用智能手机分享功能增加报告选项内容的分享手段；点击“删除”按钮，可以删除自身。

3.6 分 享

此页面可以将APP生成的各种信息和文件与其他系统或者APP共享，从而实现信息共享、多用户的协作和信息的远程处理。分享页面设计如图11所示。

点击“分享”按钮，弹出分享选项如图11右侧所示，智能手机所支持的分享功能均可以使用，增加了用户的信息共享手段；“加载”按钮功能，可以使配置文件和模板文件实现共享及内容同步；“制码”按钮可以生成同步二维码，使得用户可以通过二维码扫描功能来进行内容同步；“删除”按钮可以删除文件。

图9 报表选项

图10 手写签名

图11 分享页面

3.7 其他窗体

在本系统中，为处理水情设备的其他问题，包括设备检修、功能测试和传感器管理及测试等，在APP中还增加了其他的导航页面和快捷操作，如导航菜单的“测试”选项，快捷操作菜单的“换肤”选项等，简洁主题界面如图12右侧所示。

在遥测站中，需要测试的人工设置的参数多达60个左右，采用的设计思路和方式同参数窗体设计类似，选用具有瀑布流动画效果的底部列表形式，每个项目都可以单独点击，单独响应，弹出相应的对话框,如图12所示。

结 语

本文实现的设计方案，不仅将二维码信息处理技术引入了水情设备检测领域，简化了水情设备巡检工作的流程，而且，二维码识别技术的加入使得巡检工作人员的工作模式发生了质变，工作效率获得极大提高。通过本文设计的系统自动生成的报告如图13所示。

图12 其他窗体

图13 生成的巡检报告

[1] 软件开发技术联盟.Android开发实践[M].北京:清华大学出版社,2013.

[2] 于兴晗,胡宇丰,郭易,等.CE数据采集器设计和开发实例[M].北京:中国水利水电出版社,2014.

[3] 孙增义,吴跃.水情自动测报技术基础及其应用[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[4] 毛学工,安波,蹇德平,等.雅砻江流域梯级电站水情自动测报系统[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

于兴晗(高级工程师)，目前已获实用新型专利1项、发明专利2项,出版专著一部。

Hydrological Equipment Inspection Research Based on QR Code and APP+WiFi

Yu Xinghan,Hou Yu,Guo Yi,Gai Youpu

(China Institute of Water Resource and Hydropower Research,Beijing 100038,China)

As the mobile and smart device development and popularization of the Internet,QR applications have been explosive growth using QR code information processing technology is introduced to simplify the solution of hydrological equipment inspection processes. In the course of inspection,the APP solves the problems such as carrying pen and paper is not convenient,on-site recording difficulties and so on.

QR code;APP;inspection;hydrological equipment

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2017-01-10)