基于Android的聯合收割機遠程故障監測終端系統

楊光友, 謝 旺, 陳學海

(1 湖北工業大學農業機械工程研究設計院，湖北 武漢 430068；2 湖北省農機裝備智能化工程技術研究中心，湖北 武漢 430068)

由于聯合收割機[1-3]結構復雜，工作環境惡劣，其工作過程中的故障多樣化。常見的故障監測和診斷系統大多運行在PC端，雖然實現了遠程故障監測，減輕了故障診斷的工作量和難度，但不易攜帶，難以滿足實際需要[4]。隨著移動互聯網和移動設備的不斷發展[5]，如能將聯合收割機的故障通過移動端顯示或發出預警信息，則對聯合收割機的運維具有重要意義。目前，有關移動端故障監測和診斷系統的研究已經在飛機航電系統[6]、汽車[7-9]和工業設備[10]等領域展開。本文以聯合收割機故障監測為背景，開展基于Android移動設備的聯合收割機遠程故障監測終端系統研究，為聯合收割機故障監測和診斷提供解決方法，提高運維效率。

1 系統總體結構

基于Android的聯合收割機遠程監測系統主要由車載數據采集端、云服務器端和Android移動端組成(圖1)。

圖 1 總體框架

1.1 車載數據采集端

以雷沃RG50型聯合收割機為試驗樣機，根據收割機工作情況，在收割機工作時易發生故障的部位安裝速度傳感器，以監測風機轉速、脫粒滾筒轉速、輸送鏈耙轉速、喂入攪龍轉速、雜余攪龍轉速、籽粒攪龍轉速、逐稿器和割刀往復頻率等。車載數據采集端通過數據采集模塊將這些傳感器數據利用4G通信模塊上傳至云服務器端。

1.2 云服務器端

作為整個系統的核心樞紐，云服務器端負責調用故障模型進行故障預警和故障模型的更新：云服務器端接受車載端上傳的數據并解析保存到數據庫—調用這些數據進行故障預警—得到預警結果實時發送到Android移動端。同時，云服務器端獲取Android移動端人工反饋的實際故障結果，并與遠程數據庫中模型預警的故障狀態進行一致性判斷，以此結果作為模型是否需要更新的重要條件之一。

1.3 Android移動端

Android移動端軟件采用TCP/IP協議與云服務器端建立socket通信，實時接收云服務器端發送的監測模型預警結果。當其結果是故障狀態時，即斷開移動端與云服務器的連接，由操作員判斷是否與實際故障相符，同時上傳同一時刻操作員判斷給出的故障狀態，以便服務器端計算故障預警模型的準確率。通過連接訪問遠程數據庫，操作員根據不同故障類型查詢相應故障原因以及解決方案，實現故障快速定位和排除。

2 Android移動端開發平臺

2.1 硬件系統結構

考慮到系統開發的軟件運行在Android移動端，選用ARMv8-A架構的Cortex-A53的四核處理器，以滿足Android6.0系統的運行需求。Android移動端需要與服務器通信，連接訪問遠程數據庫。開發平臺選用廣泛應用于各種工業監控場合的4G無線傳輸模塊ME3630[11]。4G無線傳輸模塊ME3630可以提供50 Mbps上行速率，以及150 Mbps的下行速率，并支持回退到3G或2G網絡。該模組也支持GPS定位功能，完全符合系統功能要求。Android移動端開發平臺帶有OTG接口，便于軟件開發的調試。

Android移動端開發平臺硬件系統(圖2)主要由CPU處理器、觸控顯示屏、OTG接口，4G模塊，12V/2A主電源輸入接口、藍牙模塊和WIFI模塊等組成。

圖 2 移動端開發平臺硬件系統結構

開發平臺硬件系統實物如圖3所示。

圖 3 開發平臺硬件系統實物

2.2 軟件開發工具

Android Studio是谷歌專門為AndroidAPP開發設計的IDE工具。該工具基于IDEA設計，引進了新的項目構建工具Gradle，優化了模擬器運行慢、內存大的問題，提供了更好的開發和調試環境。本文選用Android Studio 3.4.2作為Android移動端的軟件開發工具。

3 Android移動端軟件開發

Android作為一個以Linux為基礎完全開源的移動設備操作系統，提供了豐富的開發資源。Android移動端軟件基于Android平臺開發，該平臺支持GUI開發，能夠提供良好的交互體驗，同時還支持輕量級的SQLite數據庫，可用作結構化的數據存儲。Android移動端軟件的功能模塊如圖4所示。

圖 4 Android移動端軟件功能模塊

3.1 Android移動端軟件開發關鍵技術

3.1.1遠程數據庫連接JDBC(Java Database Connectivity)是Java語言中用來訪問遠程數據庫的應用程序接口，提供一種與平臺無關的用于執行SQL語句的標準javaAPI，方便實現多種關系型數據庫的統一操作[12]。Android平臺基于Java語言開發，可以通過添加第三方依賴庫調用JDBC驅動，實現對遠程數據的操作。本文選用Mysql數據庫測試。

導入連接Mysql數據庫的依賴包mysql-connector-java-5.1.48-bin.jar后，調用Class.for.Name(com.mysql.jdbc.Driver)程序語句初始化驅動類，調用DriverManager類的getConnection()與遠程數據庫建立連接。最后，通過調用SQL語句對數據庫進行操作。該功能的具體流程如圖5所示。

圖 5 遠程數據庫連接流程

3.1.2故障查詢遠程服務端利用Navicat Premium數據庫可視化管理工具，根據故障信息特點搭建故障數據庫。創建的數據庫包括有以下幾列: 編號id、故障位置 error_location、故障類型error_type、故障原因 error_reason、解決方案 error_solution。其中分為發動機、電氣系統、割臺裝置、進料裝置、脫粒裝置、清選裝置、集糧裝置等7個部位。故障查詢數據表結構如圖6所示。

圖 6 故障查詢數據庫

Android移動端通過JDBC技術連接遠程數據庫，根據預警故障或反饋結果確定故障類型，通過該故障類型即可查詢相應的故障原因以及解決方案。故障查詢流程如圖7所示。

圖 7 故障查詢流程

3.1.3故障反饋接收到云服務端的預警結果為故障后，Android移動端會提示操作員進行反饋。操作員需要根據實際情況進行判斷，確定實際故障之后會將反饋結果和完成反饋的時刻一起記錄保存。然后將故障Id、故障數據的上傳時間、故障數據的預警碼、反饋結果和完成反饋的時刻一起轉化成JSON字符串。通過連接Redis數據庫，調用rpush()方法存入Redis列表。云服務端通過該Redis列表獲取Android移動端的反饋值。該功能實現流程如圖8所示。

圖 8 故障反饋流程

3.1.4LitePal開源數據庫框架LitePal是一款開源的Android數據庫框架。它采用了對象關系映射(ORM)的模式，并將我們平時開發最常用到的一些數據庫功能進行了封裝，使得不用編寫一行SQL語句就可以完成各種建表和增刪改查的操作[13]。LitePal很“輕”，jar包不到100 kb，而且基本上零配置。使用LitePal開源框架可以讓操作數據庫更簡單。LitePal的使用方法如下。

1)引入jar包：打開app/build.gradle文件，在dependencies閉包中添加如下代碼：

implementation 'org.litepal.android:core:2.0.0'

2)配置litepal.xml文件：在app/src/main目錄下新建文件夾assets，然后在assets文件夾中新建litepal.xml文件。配置文件內容如下：

標簽用于指定數據庫名稱；用于指定數據庫版本號，當新添加了表要更新數據庫時，將version中的value值加1即可；標簽用于指定所有的映射模型；每個映射模型用標簽聲明，class指定映射模型類名(完整類名)，User為一個模型類的名字，類中定義的變量對應著數據庫表中的列。

3)配置LitePalApplication：操作數據庫需要用到Context，LitePal通過在AndroidManifest.xml中配置LitePalApplication，簡化了Context參數，使用數據庫操作時就無需再傳Context。如以下代碼所示：

android:name="org.litepal.LitePalApplication"

android:allowBackup="true"

android:icon="@mipmap/ic_launcher"

android:label="@string/app_name"

android:roundIcon="@mipmap/ic_launcher_round"

android:supportsRtl="true"

android:theme="@style/AppTheme">

4)初始化和操作數據庫：每個Activity需要應用LitePal時，調用一次LitePal.getDatabase()即可進行初始化。根據對象關系映射模式的理論，新建一個User模型類，類中元素對應數據庫的數據表User中的列數據編號id、賬號user、密碼password和用戶姓名username。操作User數據表只需要分別調動模型類User對象的user.save()和user.delete()方法即可實現數據表的保存和刪除操作。這樣就可以應用LitePal框架對Android數據庫進行賬號信息的添加和刪除，實現用戶注冊和用戶注銷功能。SQLite數據表的結構模型如圖9所示。

圖 9 數據表結構示意圖

3.2 軟件功能界面程序設計

Android移動端的軟件基于Android平臺開發，利用Android平臺強大的UI開發功能為軟件各功能模塊設計界面，實現良好的人機交互。

3.2.1Intent技術Intent技術作為Android開發的核心技術之一，用來協助各應用的交互和通訊。Intent負責對應用中一次操作的動作、動作涉及數據、附加數據進行描述。根據Intent的描述，Android負責找到對應的組件，將Intent傳遞給調用的組件，并完成組件的調用。Intent不僅可用于應用程序之間，也可以開啟一個activity、發送廣播消息和開啟Service服務。調用startActivity()方法跳轉到指定Activity，可以實現登錄界面到注冊界面和功能界面的跳轉。還可以調用putExtra()方法實現Activity間的數據傳遞，將LoginActivity獲取的操作員信息傳遞到MainActivity。

3.2.2Button控件Button是進行UI開發時用于與用戶交互的重要控件。其中Button的點擊事件功能是實現交互的關鍵，設置點擊相應事件有實現OnClickListener接口、匿名內部類和定義內部類三種方法，用戶根據需求點擊相應的Button。登錄界面設置登錄和注冊兩個Button觸發Activity跳轉事件。

3.2.3Spinner控件Spinner控件是一個列表下拉框，在用戶點擊之后彈出一個數據列表供用戶選擇。對于Spinner列表顯示的數據源，有兩種方法進行設定：一是通過Adapter設置，調用xml資源文件獲取數據源通過Adapter綁定到Spinner控件顯示，xml資源文件結構如圖10所示；二是通過布局文件在Spinner控件的設置中添加android:entries="@array/error_data"代碼直接調用xml文件顯示到界面。但是通過布局文件設置的Spinner不能對選擇事件響應，不利于用戶交互。軟件界面利用Adapter設置Spinner，調用AdapterView.OnItemSelectedListener()方法實現列表項被選擇時觸發響應事件。

圖10 xml文件結構

3.2.4ScrollView控件ScrollView是一種特殊類型的FrameLayout。它可以使用戶滾動顯示一個占據的空間大于物理顯示的視圖列表。ScrollView只能包含一個子視圖或視圖組，通常包含的是一個垂直的LinearLayout。在Activity中添加ScrollView控件將整個頁面轉化成滾動視圖，以便于瀏覽數據。

利用Android平臺中的相關關鍵技術和UI控件進行軟件界面設計，相關界面如圖11所示。

圖11 軟件界面

4 結束語

通過Android技術實現了移動端與遠程服務器的交互，實時獲取云服務器端的故障預警結果，并由操作員結合實際判斷預警結果是否準確，實時將反饋結果上傳至遠程數據庫，為服務器端的模型更新提供準確的數據標簽。利用云服務器端的故障數據庫，終端系統可根據故障類型查詢相應的故障原因和故障解決方案。該終端系統的應用可以移植于多種Android移動設備，比如Android智能手機和Android智能平板等，減少了傳統PC端遠程監測的局限性，提高了戶外操作員故障監測和排除故障的實時性和便利性，具有很好的應用前景。