基于安卓手機的自動打樁機群控系統的設計

陳忠孝 韓錦波 李雪艷 王 軍 楊珊珊

(西安工業大學電子信息工程學院,陜西 西安 710021)

基于安卓手機的自動打樁機群控系統的設計

陳忠孝 韓錦波 李雪艷 王 軍 楊珊珊

(西安工業大學電子信息工程學院,陜西 西安 710021)

為了提高打樁機施工效率和安全保障，實現打樁機作業和控制的自動化，設計了一種基于安卓手機的自動打樁機群控系統。該系統將自動控制技術和遠程監控技術應用到打樁機群中，采用安卓手機、通過數傳電臺和藍牙無線傳輸數據控制現場自動沖孔打樁機群，實現了打樁的全/半自動化和打樁機群的遠程監控。試驗結果表明，該系統具有效率高、靈活性好和實時性強等優點。

打樁機 自動化 遠程監控 無線數傳電臺 藍牙 通信協議 APP

0 引言

目前，我國打樁機[1]的使用主要由操作人員手動完成，依靠施工人員的經驗實現對打樁機的剎車和離合、放線和收線的控制。但由于手動控制受操作人員經驗和外界環境的影響較大，在工地施工的時候，不但要對每臺打樁機進行單獨控制，還須現場操作。這不僅造成了人力浪費、效率低下，而且存在安全隱患，無法保證施工質量，有時容易發生一些不必要的意外和損失。本文針對控制對象速度快、沖擊大的實際情況，設計了一種基于打樁機群的自動打樁和監控系統。該設計旨在實現打樁機的自動控制和多臺打樁機的群監控，從而在減輕施工人員勞動強度的基礎上，加快施工進度、提高人身安全性、降低工程成本，從總體上提高了設計系統的可靠性和穩定性。

1 系統框架結構

本文提出基于Android手機的自動打樁機群監控系統，由具備采集信息功能的單臺樁機、通信轉換模塊和群監控安卓手機客戶端構成。該系統可通過Android手機界面遠程觀察現場打樁機群的運行狀態和參數的變化。如果出現意外或打樁機參數錯誤，在Android手機界面上就會顯示異常并發出警告，這時操作人員可以針對不同的情況發出不同的控制指令，通過藍牙傳送到無線數傳電臺，再把命令發送到被控打樁機的控制器上；控制器將按照指令內容對打樁機的參數進行設置或修改；同時，由微控制器把現場參數傳遞給遠程Android手機。在指令傳遞過程中，現場的數據信息也可以傳輸到現場Android手機上。這個現場Android手機是通過藍牙連接控制器的，其作用就是作為一個現場檢測站，在操作人員進入現場時無論遠近都可以實時觀測打樁機的運行情況。

系統具體工作流程為：當單臺打樁機自動控制系統工作時，操作人員通過人機接口對打樁機進行參數設定，如剎車時間、離合時間、提升高度、剎車高度、余繩長度等。中心控制器根據所設定的參數驅動電機轉動，同時發出松開剎車控制桿和拉緊離合控制桿的命令。繞線器借助定滑輪和齒輪的傳動作用開始繞線，進而提升樁錘。樁錘到達預設的提升高度時，控制器發出指令松開離合控制桿，樁錘自由落體，以其自身重力撞向樁基；當樁錘到達剎車高度時，控制器又發出指令拉緊剎車控制桿，但瞬間又松開；經過離合時間的作用之后，控制器再發出指令拉緊離合控制桿，樁錘再次被提升。如此往復，系統可實現精準的打樁自動作業[2]。

2 系統硬件邏輯分層

基于Android手機的自動打樁機群控系統由三個層次組成：現場打樁機檢測和控制層、現場控制器和Android手機層、無線通信和遠端Android手機層。系統硬件邏輯分層流程圖如圖1所示。

現場檢測和控制層主要由四個部分組成：剎車和離合的控制、起錘信號的檢測、高度檢測、保護和故障處理模塊。現場使用氣缸對剎車和離合的松、緊進行切換，從而控制樁錘；采用電流互感器，采集電機工作時的電流。通過采集電流值的大小，判斷樁錘的起錘信號。當電流值過大時，微控制器將控制過壓、過電流模塊對系統進行保護。高度檢測采用永磁鐵和霍爾傳感器模塊。將數十個永磁鐵均勻固定在繞線器的輪子邊緣，由固定在不遠處的霍爾傳感器檢測輪子轉過的角度。故障處理模塊對打樁機系統經常出現的幾種故障進行預處理和保護動作。當遇到天錘、夾錘(吸錘)、卡錘和鋼絲斷繩等故障時，系統的處理動作為緊剎車-松離合-關電機電源。

圖1 系統硬件邏輯分層圖

Fig.1 Logic layers of system hardware

現場控制器與Android手機層包括兩個部分：現場控制器和現場Android手機。現場控制器完成對現場傳感器和氣缸的控制，并接收現場檢測的數據信息。現場Android手機通過藍牙與現場控制器連接，通過手機界面觀察現場打樁機的運行狀態。不同的操作人員可以通過手機APP，實時監測到現場打樁機的運行狀態。

無線通信[3]和遠程Android手機層[4]包括兩個部分：無線通信部分和遠程Android手機部分。無線通信部分采用的是無線數傳電臺，它與現場的無線數傳電臺建立無線鏈路，連接成功后通過廣播的形式進行數據傳輸。遠程Android手機通過藍牙與電臺連接，操作人員通過操作Android手機，就能獲得現場打樁機群的運行情況，并且能在手機界面上實時讀取顯示信息。這樣，當打樁機在夜間運行時，操作人員即使不去現場，也可以監測現場打樁機的運行情況，并對參數進行設置。

3 系統軟件分層

打樁機群控系統的軟件整體流程如圖2所示。

打樁機群系統從編程的框架角度分為系統初始化、系統管理和系統維護更新這三大部分；從功能角度分為本地操作和系統通信這兩大部分。系統中的本地操作部分和系統通信部分可通過初始化進入正常的工作狀態，在工作中通過管理部分，使得兩部分可以很好地合作；而通過維護更新程序，可以讓系統對新的操作環境作出相應的調整，以提高系統軟件的適用性。

本系統的本地操作軟件分為三部分：控制器與Android手機的藍牙連接部分、Android手機用戶交互界面[5]、文件管理部分。本地軟件框圖如圖3所示。

圖2 系統軟件整體流程圖

Fig.2 Overall flowchart of system software

圖3 系統本地軟件框圖

Fig.3 Local software of the system

Android手機與控制器是通過無線藍牙模塊進行連接的，使用Java語言編程，經過查詢藍牙-配對藍牙-連接藍牙等過程，控制器與Android手機即可進行數據交互。Android手機顯示界面采用XML布局，并在布局中插入控件。當操作人員對手機上的控件進行操作時，控件就會執行相應的操作，設置的參數就會通過藍牙發送給管理系統，對現場進行管理。文件管理部分是本地軟件工作的核心，系統初始化的各項參數指標可以通過儲存設置好數據的文件來獲取，而采集回來的數據也可以儲存在數據庫文件中，以便在調用歷史數據的時候使用。配置文件采用文本文件的方式編寫，在Android SDK庫中有針對數據庫文件管理的SOLite數據庫，利用Android平臺自帶的SQLiteOpenHelper類對數據庫進行操作[6]。

在系統通信的部分，除了本地軟件中的控制器與Android手機之間的藍牙通信，還有控制器與無線數傳電臺之間的通信，以及兩個電臺之間的通信。系統通信軟件框圖如4所示。

圖4 系統通信軟件框圖

Fig.4 System communication software

控制器與電臺之間是通過串口連接的，串口部分分為串口數據接收和串口數據發送兩個部分，串口數據接收部分接收現場控制器傳送的數據。串口發送部分是根據遠程端或現場手機發送的控制命令，來控制現場控制器進行工作。兩個電臺之間通過建立無線鏈路進行通信。首先進行鏈路申請，然后建立鏈路，成功后進行數據傳遞，最后進行鏈路釋放。遠程端的無線數傳電臺通過串口與控制器進行連接，把接收的數據信息傳送到控制器，由控制器進行協議解析；再把信息傳遞給遠程Android手機，遠程端手機設置的參數通過同樣的方式發送給現場控制器，對現場打樁機群進行操作。手機界面上可顯示不同打樁機的運行狀態。

4 系統通信協議的設計

由于傳統的無線數傳電臺[6]沒有設置通信協議，這就容易導致在數據傳遞的過程中發生丟失、超時、掉包等問題，無法保證通信質量。本文設計的系統在原有無線數傳電臺上有所突破。結合無線數傳電臺的自身特點，設計了一組專屬協議。該協議不僅能實現一對一的數據發送，還能實現一對多的數據發送，保證了數據的準確性和有效性。

將整個無線數傳電臺的通信鏈路劃分為應用層、會話層和通信層。將傳統通信協議結構中的應用層作為本協議結構中的最高層。中間層是會話層，它主要保持遠程端與現場端的通信暢通。最低層是通信層，它主要向上面的層提供要傳輸的數據。無線數傳電臺通信具體流程為：當現場控制站通過無線數傳電臺與遠程控制中心進行通信時，開始對通信進行申請；申請成功后，發送與接收雙方建立通信鏈路；進行數據傳輸。在通信結束的時候，釋放通信鏈路[7]。

本系統通信協議的數據幀，結合了傳輸層數據幀格式以及鏈路層協議幀格式，然后進行了融合和裁剪[8]。根據本系統的通信特點確定了協議幀格式，包括開始字段、功能、請求序號、回復序號、源地址、目的地址、長度、標示、片偏移、片數、數據、校驗和結束字段[8]。

各個字段的具體含義如下。

(1)開始字段：是協議數據幀的開始，占用1B，把“01111110”作為開始的標記。

(2)功能位:本協議把功能位分割成申請狀態、連接狀態、斷開狀態和回復狀態四個部分。

①申請狀態：占用2B，用來申請通信。當此位置為1、回復狀態為0時，表示此狀態處于申請的狀態。如果對方同意了此申請，就會給發送方回復，將此位置設置為1，回復狀態位設置為1。

②連接狀態:占用2B，用來建立連接。當此位設置為1、回復狀態是0時，表示此功能位處于請求連接狀態。如果對方同意此請求，會給發送方回復，將此位設置為1，回復狀態設置成1。

③斷開狀態：占用2B，當通信結束時，需要斷開連接。其用法與前面類似。給對方發送通知，然后根據回復狀位進行判斷。

④回復狀態：占用2B。它不單獨使用與前面的三個狀態配合使用。

(3)請求序號：占用1B。記錄當前申請的個數，從0開始編號。

(4)回復序號：占用1B。記錄回復的個數，從0開始編號。

(5)源地址：占用4B。描述發送方的主機地址。

(6)目的地址：占用4B。描述接收方的主機地址。

(7)長度：就是數據幀的長度，占用2B。

(8)標示：占用2B。對當前傳輸的數據幀的片段標示，判斷所需要發送的數據段的長度是否超過所要求的最大長度。如果超過了，就要對這部分數據段進行分片處理。

(9)片偏移：占用2B。如果數據段超過最大的長度，就將會被切斷，此時的片偏移描述這個被切割的片段屬于第幾片，這樣可以幫助接收端對數據段進行重組。

(10)片數：占用2B。描述較長的數據報被分割后的數據片的數量。

(11)數據：需要發送的數據。最大長度為65 535-23=65 512B。

(12)校驗:采用CRC校驗的方式,校驗的范圍從申請時的第一字節的第一位開始到最后一個字節的最后一位結束。

數據鏈路層的數據組幀和解幀程序流程圖如圖5所示。

圖5 組幀及解幀程序流程圖

Fig.5 Flowchart of framing and de-framing program

5 群監控客戶端的軟件設計

客戶端[9]由一些功能模塊程序構成，其中包括系統主界面模塊、藍牙連接模塊、打樁機模塊、參數設定模塊等。用戶連接藍牙時，要先輸入匹配碼實現驗證，再利用藍牙通過現有的協議向CPU發出請求；CPU響應之后，會發送所采集的組幀數據到客戶端。客戶端接收數據時具有固定的格式，所以必須對數據進行解幀并顯示。

以某個控件的點擊事件為例，介紹客戶端軟件的軟件流程，如圖6所示。

圖6 客戶端軟件流程圖

Fig.6 Flowchart of client software

6 客戶端界面設計和調試

首先，在安卓手機[10]中找到群監控系統客戶端的APP圖標；點擊圖標打開客戶端，需先啟動藍牙連接功能，輸入系統匹配的密碼，從而完成數據傳輸路徑的建立；主界面有六個按鍵，分別為連接藍牙、運行數據、參數配置、狀態測試、樁機啟/停與退出。

APP被啟動后，首先要實現藍牙連接功能。點擊藍牙連接按鈕后跳轉界面，輸入設定好的匹配碼實現連接。

在樁機作業前，可對樁機的性能進行簡單測試。點擊狀態測試按鈕后跳轉界面，此時可對每臺樁機的剎車、離合以及樁錘高度進行測試，以避免意外狀況的發生。

樁機測試完成后，還要對各臺樁機進行參數初始化設定。點擊參數配置鈕后跳轉界面，可以看到有如下四項重要參數：剎車時間、離合時間、提升高度和余繩長度。在根據現場施工環境進行參數配置后，即可運行作業。

當操作人員想要監控某臺樁機參數和狀態時，可點擊運行按鈕。手機界面就會跳轉到運行界面，供工作人員實時了解運行狀況，并可根據參數和狀態情況對樁機接下來的工作模式進行調整。

運行過程中難免會有突發狀況，例如卡錘、天錘、偏孔或數據報錯等。此時，可點擊樁機啟/停按鈕后跳轉界面，以及時對意外狀況的樁機進行遠距離啟/停控制，避免人身安全事故或財產的損失。

本文所設計的系統客戶端界面主要以黑色作為背景色，白色作為字體顏色，整體感覺簡潔大方、清晰明了。界面的操作主要通過按鍵應答方式，實現了頁面跳轉和系統功能。

7 結束語

本文所設計的基于Android手機的自動打樁機群控系統作為一個工業產品，達到了系統設計的基本要求。結合無線數傳電臺對其進行通信協議設計，使遠程控制中心可通過無線數傳電臺通信對現場自動沖孔打樁機的剎車時間、離合時間以及剎車距離等參數進行設置。

使用遠程Android手機，能夠很好地監控現場工作狀態。一旦出現問題，工作人員還能在第一時間作出反應，這樣更為便利，也降低了危險系數、緩解了工作壓力，幫助操作員避免了由于操作失誤引起的嚴重事故，使操作更加靈活。

[1] 秦剛，周振東.手動式沖孔打樁機自動化改進及穩定性研究[J].機械與電子,2015(10):38-41.

[2] 劉坤.液壓打樁錘脫樁保護系統設計及其緩沖特性研究[D].長沙:中南大學，2013.

[3] 陳海明，崔莉，謝開斌.物聯網體系結構與實現方法的比較研究[J].計算機學報,2013,36(1):168-188.

[4] 張雅楠，楊璐，鄭麗敏.基于Android手機的遠程視頻監控系統的設計與開發[J].計算機應用,2013,33(A01):283-286.

[5] 鄒鑫.基于Android手機攝像頭的可見光通信技術研究[D].大連：大連海事大學，2015

[6] 鄭曉霧.基于安卓平臺和藍牙技術語音系統設計與實現[D].西安：西安電子科技大學,2014.

[7] 黃春犁，高敏，高金明.無線數傳電臺技術在風電場SCADA系統中的應用[J].華電技術,2015(10):72-75.

[8] 許邁.基于無線數傳電臺和WIFI的局域網通信信號切換的設計與實現[D].武漢：華中師范大學,2012.

[9] 張瑞卿.基于Android手機客戶端的中央空調遠程數據[D].廈門：廈門大學,2014.

[10]汪永松.Android手機應用開發之信息平臺移動客戶端[J].電腦編程技巧與維護,2013(13):29-37.

Design of the Automatic Piledriver Group Control System Based on Android Mobile Phone

In order to improve the construction efficiency and security of piledriver,and realize automation of the operation and control of piledriver,the automatic piledriver group control system based on Android mobile phone is designed.The automatic control technology and remote monitoring technology are applied into the piledriver group,by using Android mobile phone,through data transmission radio and Bluetooth wireless transmission data,the automatic punching pile driver group on site are controlled,the full and semi-automation of piling and the remote monitoring of the piledriver group is implemented.The test results show that the system has the advantages of high efficiency,flexibility and real-time performance.

Piledriver Automation Remote control Wireless digital transmission radio Bluetooth Communication protocol APP

陜西省教育廳服務地方專項計劃基金資助項目(編號：15JF018)；

陜西省科學技術研究發展計劃基金資助項目(編號：2014K05-44);

西安市科技計劃基金資助項目(編號：CXY1520-2)。

陳忠孝(1963—)，男，1984年畢業于沈陽建筑大學，獲碩士學位，教授；主要從事計算機控制、智能控制方向的研究。

TH7;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612021

修改稿收到日期：2016-06-13。