基于安卓移動設備的嵌入式監控系統設計方法

齊繼陽，孟 洋，李金燕，王凌云

（江蘇科技大學 機械工程學院，鎮江 212003）

近年來，由于信息技術的飛速發展，安卓移動設備已成為人們生活中密不可分的必需品，尤其是基于安卓系統的手機和平板電腦，擁有非常大的市場占有率。利用這些裝有安卓系統的手機或平板電腦對目標物體進行監控，既保證了監控過程的連續性與方便性，又具有低成本和普遍性的特點，代表著未來監控系統平臺的發展方向[1-2]。

目前，嵌入式監控系統已經得到廣泛的應用。文獻[3]中基于安卓手機平臺和GPRS通信技術的水質參數無線遠程監控系統實現了對水位、溫度、PH值和溶氧等水質參數信息的遠程采集、存儲與管理，并且實現對控制節點的遠程控制；文獻[4]設計了一種便攜的基于安卓平臺的腦-心電監護系統，該系統由腦-心電模塊、WiFi模塊、數據處理、監測模塊和醫療服務器組成，實現對目標人群腦電、心電的遠程監控。從這些應用實例可看出，嵌入式監控系統已被應用到各個領域，并取得顯著效果。

1 嵌入式監控系統簡介

嵌入式系統是如今最熱門的概念之一。根據英國電氣工程師協會 （U.K.Institution of Electrical Engineer）的定義，嵌入式系統是“完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統”。嵌入式系統與通用計算機系統不同，它通常執行的是帶有特定要求的預先定義的任務[5]。由于嵌入式系統只是針對一項特殊的任務，故通常進行大量生產以降低單個成本。將嵌入式系統靈活地運用在監控系統中，形成如今非常普及的嵌入式監控系統。

圖1 嵌入式監控系統硬件結構圖Fig.1 Hardware structure of embedded monitoring system

嵌入式監控系統的硬件結構如圖1所示，整個系統由監控終端、上位機、下位機和輸入、輸出元件4大部分組成。本文將針對安卓手機或平板電腦作為監控終端，對嵌入式監控系統開發方式進行具體說明。

2 嵌入式監控系統開發方式

本文針對嵌入式監控系統在工業領域的應用，介紹了4種基于安卓移動設備的嵌入式監控系統設計方法。

2.1 PLC作為嵌入式Web服務器

以PLC作為嵌入式Web服務器，操作人員可通過Web頁面直接訪問PLC內相關數據。借助這些Web頁面，安卓移動設備可通過自帶的Web瀏覽器實現對PLC內信息的訪問[6]。下面針對PLC作為嵌入式Web服務器開發方式進行硬件結構概述。

如圖2所示，描述了典型的以安卓移動設備作為監控終端，PLC作為嵌入式Web服務器的監控系統硬件結構框架。該系統主要由安卓移動設備（安卓手機、安卓平板電腦等）、路由器、PLC、輸入元器件（如角度傳感器、溫度傳感器等）、輸出元器件（如電機、繼電器等）等硬件組成。

圖2 PLC作為嵌入式Web服務器的監控系統硬件結構Fig.2 Hardware architecture of monitoring system using a PLC as an embedded web server

在整個監控系統中，數據的監測由安卓手機或者安卓平板電腦執行。通常，安卓智能手機具有很高的CPU配置、大容量的ROM和RAM，保證了監控過程和數據存儲過程的穩定性。在此監控系統中，路由器為普通路由器，但對于PLC有具體的性能要求，所選用的PLC必須具有作為嵌入式Web服務器的功能（如西門子S7-1200系列PLC），才能使操作人員通過Web瀏覽器實現對PLC的直接訪問，進而實現對現場設備的監控。當安卓手機或者安卓平板電腦處于有網絡的情況下，可以通過自帶的Web瀏覽器訪問作為服務器端的PLC，實現對PLC信息的訪問和現場設備的監控。

以西門子S7-1200系列的PLC為例，針對S7-1200系列的PLC作為Web服務器的開發方式具體設計思路如下：

（1）首先進行硬件連接，系統架構如圖2所示；

（2）使用 HTML 編輯器（如 Microsoft Frontpage）創建HTML頁面；

（3）使用西門子PLC專用編程軟件STEP7進行組態，并讀取和處理HTML頁面；

（4）基于HTML頁面生成程序塊；

（5）對STEP7進行編程設計，用來控制 HTML頁面的使用；

（6）使用STEP7開啟PLC的Web服務器功能，設置PLC的IP地址，并將編譯好的程序塊下載到PLC中；

（7）通過安卓移動設備即可訪問PLC內自定義的Web頁面，實現對PLC的監控。

當完成了如上的設計步驟之后，用戶可以使用安卓移動設備的瀏覽器訪問S7-1200服務器端的Web控制頁面，進而實現對現場設備的如下操作：

·改變現場設備的工作模式（STOP和RUN）；

·改變現場設備的運行參數（速度、時間、方式等）；

·讀取現場設備的工作狀態和運行參數；

·對現場設備設置報警通知等。

在以PLC作為嵌入式Web服務器的開發方式中，安卓移動設備作為上位機和監控終端的集合體，PLC作為下位機，安卓移動設備可以通過自帶的Web瀏覽器訪問目標PLC的嵌入式服務器來實現對現場設備的控制，操作人員無需在現場就可實現對目標設備的遠程監控。

2.2 觸摸屏作為嵌入式Web服務器

以觸摸屏作為嵌入式Web服務器，操作人員可以通過Web瀏覽器來訪問觸摸屏，進而實現對PLC內部數據的訪問。通過訪問這些Web頁面，可實現通過安卓移動設備訪問觸摸屏的嵌入式服務器，再通過觸摸屏來實現對PLC的操作，進而實現對現場設備的監控。下面針對觸摸屏作為嵌入式Web服務器開發方式進行硬件結構概述。

如圖3所示，描述了典型的以安卓移動設備作為監控終端，觸摸屏作為嵌入式Web服務器的監控系統硬件結構框架。該系統由安卓移動設備、路由器、觸摸屏、PLC、輸入元器件、輸出元器件等組成。

圖3 觸摸屏作為嵌入式Web服務器的監控系統硬件結構Fig.3 Hardware architecture of monitoring system using touch panel as the embedded Web server

在整個監控系統中，數據的監測由安卓手機或安卓平板電腦執行。在此監控系統中，路由器為普通的路由器，PLC同樣為普通的PLC，無特殊要求。但是對于觸摸屏有具體的性能要求，所使用的觸摸屏必須具有作為嵌入式Web服務器的功能（如施耐德MagelisXBTGT系列觸摸屏），操作人員通過Web瀏覽器對觸摸屏的嵌入式服務器進行訪問，間接實現對現場設備的監控。當安卓手機或安卓平板電腦處于有網絡的情況下，用戶可通過安卓移動設備自帶的Web瀏覽器訪問觸摸屏的嵌入式服務器，實現對PLC的控制，間接實現對現場設備的監控。

以施耐德MagelisXBTGT系列觸摸屏為例，針對施耐德MagelisXBTGT系列觸摸屏作為Web服務器的具體設計思路如下：

（1）首先進行硬件連接，系統架構如圖3所示；

（2）編寫PLC程序，并下載到PLC中；

（3）使用Vijeo-Designer組態軟件設定觸摸屏的IP地址，并開啟數據共享功能；

（4）使用Vijeo-Designer編寫觸摸屏程序，設置程序中變量的共享屬性，并將程序下載到觸摸屏內；

（5）調試觸摸屏與PLC之間的通訊，確保程序的準確性；

（6）通過接入網絡的安卓移動設備即可訪問觸摸屏內的Web控制頁面，間接實現對PLC的監控。使用手機瀏覽器訪問觸摸屏的嵌入式Web服務器所顯示的控制界面。

當完成了如上設計步驟后，用戶可使用安卓移動設備的瀏覽器訪問MagelisXBTGT系列觸摸屏服務器端的Web控制頁面，進而實現對現場設備的操作。通過此Web頁面對現場設備的操作與PLC作為嵌入式Web服務器對現場設備的操作相同。

在觸摸屏作為嵌入式Web服務器的開發方式中，PLC作為下位機，觸摸屏作為上位機，安卓移動設備作為監控終端。安卓移動可通過自帶的Web瀏覽器訪問所要監控觸摸屏的嵌入式服務器，操作人員無需在現場就可實現對現場設備的遠程監控。

2.3 基于VNC的嵌入式監控系統

VNC（virtual network computing）是虛擬網絡計算機的縮寫，是一種使用RFB（remote frame buffer）協議的屏幕畫面分享及遠程操作軟件。此軟件借助網絡，可傳送鍵盤與鼠標的動作及實時的屏幕畫面。VNC系統由客戶端、服務器端和一個協議組成，其服務器端分享其所運行機器的屏幕，服務器端被動地允許客戶端控制它，而VNC客戶端控制服務器端[7]。VNC與操作系統無關，因此可跨平臺使用。下面針對VNC開發方式進行硬件結構概述。

如圖4所示，描述了典型的以安卓移動設備作為監控終端，基于VNC的鍵入式監控系統硬件結構框架。該系統由安卓移動設備、路由器、上位機（如IPC、觸摸屏等）、下位機（如 PLC、單片機等）、輸入元器件、輸出元器件組成。

圖4 基于VNC的鍵入式監控系統硬件結構框架Fig.4 Hardware architecture of monitoring system based on VNC

在整個監控系統中，數據的監測由安卓手機或者安卓平板電腦執行。此監控系統中，路由器為普通的路由器，上位機（如PC機或觸摸屏）必須具有能夠接入局域網的功能，PLC也無特殊要求。但是此種開發方式要求所使用的安卓移動平臺必須裝有VNC客戶端，才能使安卓移動設備通過VNC客戶端訪問上位機，顯示上位機的操作界面，實現對下位機控制，進而實現對現場設備的監控。

以步科MT4414系列的觸摸屏作為VNC服務器端，安卓移動設備作為VNC客戶端為例，針對觸摸屏MT4414TE觸摸屏的VNC開發方式具體設計思路如下：

（1）首先進行硬件連接，系統架構如圖4所示；

（2）編寫PLC程序，并下載到PLC中；

（3）使用HMIware組態軟件設定觸摸屏的IP地址；

（4）使用HMIware組態軟件編寫觸摸屏程序，并下載到觸摸屏內；

（5）調試觸摸屏與PLC之間的通訊，確保程序的準確性；

（6）安裝手機VNC客戶端，通過在接入網絡的安卓移動設備VNC客戶端中輸入觸摸屏對應的IP地址，即可訪問觸摸屏的操作界面，從而實現對下位機的監控。

當完成了如上的設計步驟之后，用戶可使用安卓移動設備的VNC的客戶端對現場設備進行操作，其具體操作方式和PLC作為嵌入式Web服務器方法中的操作方式相同。

在基于VNC的鍵入式監控系統開發方式中，PLC作為下位機，觸摸屏作為上位機，安卓移動設備作為監控終端。安卓移動設備可通過VNC客戶端輸入對應的IP地址訪問目標觸摸屏，操作人員無需在現場就可實現對目標設備的遠程監控。

2.4 安卓監控系統APP的開發

APP是英文Application的簡稱，由于近年來安卓智能手機的流行，現在的APP多指智能手機的第三方應用程序。因此可開發用于監控系統的安卓APP，使用所開發的安卓APP對目標對象實現監控[8]。下面針對APP開發方式進行硬件結構概述。

如圖5所示，描述了典型的以安卓移動設備作為上位機和監控終端，應用安卓APP開發方式的監控系統硬件結構框架。該系統由安卓移動設備、路由器、PLC（或其它下位機）、輸入元器件、輸出元器件組成。

圖5 使用安卓APP的監控系統硬件結構Fig.5 Hardware architecture of monitoring system based on Android APP

在整個監控系統中，數據的監測由安卓手機或者安卓平板電腦執行。監控系統中的路由器為普通的路由器，所選取的PLC必須能夠接入網絡，對輸入、輸出元件無特殊要求。但是此種開發方式要求所使用的安卓移動平臺必須裝有所開發的APP應用程序，才能使安卓移動設備通過IP地址訪問下位機，從而通過APP應用程序直接對現場設備實現監控。

通常，用于監控系統安卓APP的開發方式是多種多樣的，在這里主要舉出2種比較廣泛運用的監控系統APP開發方式。一種是基于安卓應用程序開發平臺，運用Java或C++等語言開發用于監控系統的安卓APP；另一種是基于組態軟件，運用組態軟件（如mySCADA）開發用于監控系統的安卓APP。

以mySCADA為平臺開發安卓APP應用程序為例，安卓移動設備作為APP應用程序的載體，針對安卓APP開發方式具體設計思路如下：

（1）首先進行硬件連接，系統架構如圖5所示；

（2）編寫PLC程序，并下載到PLC中；

（3）使用mySCADA軟件開發用于監控系統的安卓APP；

（4）在安卓移動設備上安裝監控系統APP；

（5）調試安卓移動設備與PLC之間的通訊，使用所開發的APP進行監控。如圖6所示，安卓移動設備上運行mySCADA所開發的APP控制界面[9]。當完成了如上的設計步驟之后，用戶可使用所開發的安卓APP客戶端對現場設備進行操作，其具體操作方式和PLC作為嵌入式Web服務器方法中的操作方式相同。

圖6 基于mySCADA開發的安卓APPFig.6 Android APP developed by mySCADA

在手機APP的開發方式中，PLC作為下位機，安卓移動設備作為上位機和監控終端。安卓移動設備可通過APP客戶端訪問對應IP地址的PLC，實現對目標PLC的遠程監控。

2.5 開發方式比較

以上4種嵌入式監控系統開發方式，都有各自的優缺點，其比較如表1所示。

表1 四種開發方式比較Tab.1 Comparison of four development methods

3 結語

本文闡述了4種基于安卓平臺的嵌入式監控系統開發方法，4種開發方法都是基于網絡系統來實現的，對現場設備的操作方式基本相同。當使用PLC作為嵌入式Web服務器或安卓APP這2種開發方法時，PLC作為安卓移動設備訪問信息的載體。當使用觸摸屏作為嵌入式Web服務器或使用VNC這2種開發方法時，觸摸屏作為安卓移動設備訪問信息的載體。不論所訪問信息的載體是PLC還是觸摸屏，最終都是可以通過終端的安卓移動設備對目標設備進行遠程訪問與監視。

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[9]蘇州庫德萊茲自動化技術有限公司.全新一代組態軟件[EB/OL].（2014-12-28]）.http：//www.coderise.cn/product/myscada-mobile/portfolioID=740.