二維碼與APP+WiFi的水情設備巡檢應用研究

于興晗，侯煜，郭易，蓋優普

(中國水利水電科學研究院，北京 100038)

二維碼與APP+WiFi的水情設備巡檢應用研究

于興晗，侯煜，郭易，蓋優普

(中國水利水電科學研究院，北京 100038)

隨著移動互聯網和智能設備的發展普及，二維碼應用出現了爆發式的增長。本文介紹了一種利用二維碼信息處理技術來簡化水情設備巡檢工作流程的解決方案。通過本文實現的APP解決了在設備巡檢過程中，攜帶紙筆不方便、現場記錄困難等問題。

二維碼；APP；巡檢；水情設備

引 言

隨著移動互聯網和智能設備的發展普及，二維碼應用出現爆發式的增長。利用二維碼自身的優勢(入口多、可追溯、成本低、精準、信息容量大，使用方便等)結合云平臺及智能手機APP開發技術，可以開發出一套簡捷、高效、精細的巡檢報告自動生成解決方案，解決上述問題。

1 系統設計

1.1 二維碼簡介

二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面(二維方向上)分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息的，在代碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個與二進制相對應的幾何形體來表示文字數值信息，通過圖象輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理。它具有條碼技術的一些共性：每種碼制有其特定的字符集；每個字符占有一定的寬度；具有一定的校驗功能等，同時還具有對不同行的信息自動識別功能及處理圖形旋轉變化點。

二維碼主要特點有：

① 高密度編碼，信息容量大：可容納多達1850個大寫字母或2 710個數字，或1108個字節，或500多個漢字，比普通條碼信息容量高約幾十倍。

② 編碼范圍廣：可以把圖片、聲音、文字、簽字、指紋等可以數字化的信息進行編碼，用條碼表示出來，可以表示多種語言文字，可表示圖像數據。

③ 容錯能力強，具有糾錯功能，這使得二維條碼因穿孔、污損等引起局部損壞時，照樣可以正確得到識讀，損毀面積達50%仍可恢復信息。

④ 譯碼可靠性高，比普通條碼譯碼錯誤率百萬分之二要低得多，誤碼率不超過千萬分之一。

⑤ 可引入加密措施，保密性、防偽性好。

⑥ 成本低，易制作，持久耐用。

⑦ 條碼符號形狀、尺寸、大小比例可變。

⑧ 二維條碼可以使用激光或CCD閱讀器識讀。

1.2 引入方案

將二維碼信息技術引入水情設備巡檢報告系統，需要解決3個主要問題:① 二維碼如何識別，識別的信息如何處理(包括信息展示、存儲、分享和備份等);② 如何與水情設備交換信息，報告系統如何與巡檢設備建立連接，采樣何種通信方式等;③ 二維碼如何生成，包括如何對存儲信息進行編碼，如何對編碼內容進行壓縮，減少二維碼信息量，以提高二維碼掃描效率。

圖1 系統連接示意圖

結合上述問題，本文引入了智能手機APP+WiFi配件的設計方案，通過智能手機APP來處理二維碼信息(包括識別和生成)，通過WiFi配件與水情測報系統中的遙測站進行信息交換。整個系統連接示意圖如圖1所示。智能手機是實現整個系統的核心硬件，利用智能手機的強大處理能力來對二維碼信息進行處理，并增加二維碼信息處理的手段，如信息的分享、壓縮以及二維碼信息的識別等。WiFi配件是實現整個系統的關鍵部分，只有通過WiFi配件才能使水情設備和智能手機建立聯系，實現信息交互。

圖3 WiFi配件原理框圖

1.3 工作流程

采用第1.2節所述的設計方案，水情設備巡檢工作流程如圖2所示，可以看出，整個巡檢的大部分工作均可以使用APP來實現，整個工作過程只需要將WiFi配件接入系統，打開APP記錄即可，不需要攜帶紙筆和工具箱等繁重的工具，進一步減輕了巡檢工作人員的工作量，提高了工作效率。

圖2 工作流程圖

1.4 WiFi配件原理框圖

由圖1可以看出，WiFi配件是整個系統實現的關鍵硬件，是智能手機和水情設備進行信息交互的橋梁，WiFi配件性能的好壞直接影響整個系統的效率。WiFi配件原理框圖設計如圖3所示。

本文所設計的WiFi配件主要配合本院的水情測報產品并考慮同行業相同產品的兼容性，同時減少了WiFi配件的體積，提高了WiFi配件的便攜性，WiFi配件采用自定義的DB9接口與遙測站的串口相連，配件電源也由DB9接口引入，為了提高配件的適用性，還另外提供了單獨的電源輸入口，可以使用外部單獨的電源模塊供電，電壓范圍為4～12 V。另外，配件使用PCB天線代替外接天線更進一步減小了WiFi配件的尺寸。

2 關鍵技術

2.1 二維碼識別

二維碼識別技術依閱讀原理的不同可分為：

① 線性CCD和線性圖像式閱讀器(Linear Imager),這種方式可閱讀一維條碼和線性堆疊式二維碼(如PDF417)，在閱讀二維碼時需要沿條碼的垂直方向掃過整個條碼，稱為“掃動式閱讀”;

② 帶光柵的激光閱讀器,可閱讀一維條碼和線性堆疊式二維碼,閱讀二維碼時將光線對準條碼，由光柵元件完成垂直掃描，不需要手工掃動;

③ 圖像式閱讀器(Image Reader),采用面陣CCD攝像方式將條碼圖像攝取后進行分析和解碼，可閱讀一維條碼和所有類型的二維條碼。

本文提到的設計方案中，使用圖像式閱讀器。

2.2 自定制GIS系統

一般在水情設備巡檢報告中，需要提供詳細的地理信息(如經緯度、海拔以及安裝地點的地區編碼信息等)，這些地理信息，在一般的地圖應用中是不提供的，需要專門的APP應用來測量，再由巡檢工作人員用筆記錄在紙質報告中。為進一步簡化巡檢工作人員的工作流程，提高巡檢工作效率，本文在設計APP時，引入了自定制GIS系統，使用專用的地圖API開發出用于提供設備所處位置地理信息的GIS系統，為智能手機APP生成報告時自動填充水情設備位置的地理信息。

同時，為了提高自定制GIS系統的適用性，本文在設計APP時，還提供了專門的定位頁面，用于用戶自己查詢設備所處位置的地理信息，以便用于其他領域。

2.3 自定制報表系統

針對不同的用戶群，使用的報表選項可能不同，為了滿足大部分的客戶要求，本文設計了兩種可自定制報表的方式。

① 選項方式:報表的所有選項都是可選項，不需要的選項可以通過不勾選或者點擊左滑菜單的“刪除”按鈕刪除該項；點擊左滑菜單的“增加”按鈕可以增加新的同級選項，即報告的標題列或者是內容列；點擊左滑菜單的“分享”按鈕,即可以調用智能手機上所有可以應用的手段來處理報告選項，增強了報告選項的可操作性。

② 模板:報表的選項可以使用用戶提供的模板來實現，用戶通過分享頁面導入自己定義的報告模板文件，智能手機APP即會將報告模板的內容以鍵值對的形式展開，用戶可以根據自己的要求再次定制，勾選選項或者使用選項的左滑菜單。

2.4 手寫簽名系統

針對不同的需求，有些巡檢報告可能需要巡檢工作人員自己手寫簽名；為了滿足這一需求，在設計APP時，增加了手寫簽名系統，用戶可以在手機屏幕上通過手寫自己簽名添加到報告中，完成報表。

同時，為了增加APP的應用領域，本文在設計APP時，增加了單獨的手寫簽名頁面，通過此頁面，巡檢工作人員可以將自己的手寫簽名存成位圖或者SVG矢量圖，位圖背景可以選擇為白底或者透明，以便在其他系統中使用。

2.5 Material Design

Material Design中文名為質感設計，是由Google推出的設計語言，這種設計語言旨在為手機、平板電腦、臺式機和其他平臺提供更一致、更廣泛的外觀和感覺。 Material Design語言的一些重要功能包括系統字體Roboto的升級版本，同時顏色更鮮艷，動畫效果更突出。谷歌的想法是讓谷歌平臺上的開發者掌握這個新框架，從而所有應用就有統一的外觀，就好像是蘋果向開發者提出的設計原則一樣。谷歌還基于這種新的設計語言對本公司旗艦應用進行了重新設計，包括安卓和網頁端的Gmail和Calendar。

3 實 現

3.1 Navigation Drawer

APP的主界面如圖4所示，使用Material Design設計風格，菜單采用的是主流的Navigation Drawer，為了提高用戶的體驗，菜單的滑出還采用了滑屏和按鍵兩種觸發方式，(a)為快速導航菜單，(b)為系統快捷操作菜單。

圖4 APP主界面

3.2 信息窗體

信息窗體主要功能是監控設備運行狀態，通過監控設備串口輸出數據流來判斷水情設備的運行狀態，為了減輕水情設備的工作負擔，可以在遙測設備處于空閑狀態時對設備進行維護。為了增加用戶體驗和后續美化擴展，在實現上采用了列表形式，每個列表元素都采用了標題+卡片的表現形式，通過卡片增加了信息的可讀性和展示的美觀性，有利于后續的功能擴展，如長按可以將卡片信息分享給其他APP，針對每個卡片進行單獨處理等。同時信息窗體還增加了瀑布流的動畫效果，窗體實現如圖5所示。

圖5 信息窗體設計

窗體的所有信息都可以通過右側快捷操作中的“存儲信息選項”存成信息文件，再通過分享頁面將文件共享，供其他遠端用戶處理。

3.3 二維碼識別

在實際應用中，巡檢人員到達現場，先將WiFi配件插入待檢設備串口，啟動右側菜單“掃一掃”選項，如圖6所示。將二維碼定位到方框內即可非常迅速地將二維碼信息解析出來，此時通過左側導航菜單切換到參數設置頁面，就可以查看設備的設置參數值，通過參數設置頁面對設備的參數進行查詢、修改或者存儲。

點擊右側快捷操作菜單的“生成二維碼”選項，則可以將設備維護信息生成二維碼，界面如圖6右側所示，點擊“存儲”按鈕，即可將生成的二維碼存儲成位圖，將存儲的位圖打印出來，或者制成印刷品，貼在機箱外面，供巡檢工作人員掃描時使用。點擊“解析位圖”選項，可以解析以位圖存在的二維碼。

圖6 二維碼掃描

圖7 參數窗體設計

在遙測站中，有100多個參數需要設置、查詢和管理，在手機APP UI設計中，如何合理使用手機有限的顯示區域，又使用戶快速定位參數，是此窗體設計的關鍵。在本設計中，采用了分頁面管理的方式，將100多個參數共分成12頁，每頁的參數又采用具有瀑布流動畫效果的表格來展示，每個參數都是采用卡片的形式展示，頁面之間切換可以采用滑屏和具有動畫效果的底部列表選擇兩種方式，使用戶可以快速定位到自己關心的參數，從而完成設置。為了減少界面元素，窗體還采用了下拉刷新的功能來查詢參數。窗體實現如圖7所示。點擊右側菜單的備份選項，可以將最后得到的參數信息存儲成配置文件，再通過分享頁面與其他設備共享。

3.4 自定制GIS系統

圖8 GIS系統

點擊左側快速導航菜單的“定位”選項，啟動定位窗口，顯示地圖信息如圖8所示。在實際工作中，可以在巡檢工作掃碼之前啟動，也可以在生成報表之前啟動，得到的地理信息將存儲在智能手機里，在生成報告時自動加載。“CLEAR”按鈕清除標記，“RESET”按鈕重新定位并顯示標記標識，點擊則顯示相關的地理信息。

3.5 報表系統

報表系統是此APP的核心功能，可以自動生成excel格式的報表；對于報告的使用選項，點擊、勾選選項即可自動生成相應內容；直接點擊修改內容即可啟動輸入軟鍵盤，通過軟鍵盤直接可以進行修改，如圖9所示。

同時，報表系統列表選項的最后有手寫簽名選項，選中該項，彈出手寫界面如圖10所示，點擊“確認”按鈕即可將手寫簽名加入報告，點擊“取消”按鈕則使用鍵盤輸入簽名。

點擊列表最后的“保存”按扭，可以生成報告；點擊“模板”按扭，將生成報告模板，可以在分享頁面中加載使用。

在屏幕上沿著“選項”或者“內容”向左滑動，啟動左滑菜單如圖9右側所示，“增加”按鈕增加同級內容，標題可自定義；“分享”可以利用智能手機分享功能增加報告選項內容的分享手段；點擊“刪除”按鈕，可以刪除自身。

3.6 分 享

此頁面可以將APP生成的各種信息和文件與其他系統或者APP共享，從而實現信息共享、多用戶的協作和信息的遠程處理。分享頁面設計如圖11所示。

點擊“分享”按鈕，彈出分享選項如圖11右側所示，智能手機所支持的分享功能均可以使用，增加了用戶的信息共享手段；“加載”按鈕功能，可以使配置文件和模板文件實現共享及內容同步；“制碼”按鈕可以生成同步二維碼，使得用戶可以通過二維碼掃描功能來進行內容同步；“刪除”按鈕可以刪除文件。

圖9 報表選項

圖10 手寫簽名

圖11 分享頁面

3.7 其他窗體

在本系統中，為處理水情設備的其他問題，包括設備檢修、功能測試和傳感器管理及測試等，在APP中還增加了其他的導航頁面和快捷操作，如導航菜單的“測試”選項，快捷操作菜單的“換膚”選項等，簡潔主題界面如圖12右側所示。

在遙測站中，需要測試的人工設置的參數多達60個左右，采用的設計思路和方式同參數窗體設計類似，選用具有瀑布流動畫效果的底部列表形式，每個項目都可以單獨點擊，單獨響應，彈出相應的對話框,如圖12所示。

結 語

本文實現的設計方案，不僅將二維碼信息處理技術引入了水情設備檢測領域，簡化了水情設備巡檢工作的流程，而且，二維碼識別技術的加入使得巡檢工作人員的工作模式發生了質變，工作效率獲得極大提高。通過本文設計的系統自動生成的報告如圖13所示。

圖12 其他窗體

圖13 生成的巡檢報告

[1] 軟件開發技術聯盟.Android開發實踐[M].北京:清華大學出版社,2013.

[2] 于興晗,胡宇豐,郭易,等.CE數據采集器設計和開發實例[M].北京:中國水利水電出版社,2014.

[3] 孫增義,吳躍.水情自動測報技術基礎及其應用[M].北京:中國水利水電出版社,1999.

[4] 毛學工,安波,蹇德平,等.雅礱江流域梯級電站水情自動測報系統[M].北京:中國水利水電出版社,2012.

于興晗(高級工程師)，目前已獲實用新型專利1項、發明專利2項,出版專著一部。

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)