基于Android的工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)體系研究

高 燕

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710071)

工業(yè)鍋爐在運(yùn)行過程中,對(duì)鍋爐的管道要求較高,需要鍋爐的壓力、溫度、流量等參數(shù)穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)。但鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣,傳統(tǒng)控制方式存在故障診斷預(yù)警能力差、穩(wěn)定性低等問題。隨著我國科技的飛速發(fā)展,衍生出一種劃時(shí)代的新型網(wǎng)絡(luò)——物聯(lián)網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng)集成了計(jì)算機(jī)控制、微電子以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等多項(xiàng)技術(shù),該技術(shù)憑借自身控制精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于鍋爐控制中,可實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,同時(shí)在無人值守的情況下完成鍋爐的能效監(jiān)測(cè)。

1 Android操作系統(tǒng)平臺(tái)概述

Android操作系統(tǒng)實(shí)際上是一種開放性移動(dòng)軟件,為移動(dòng)終端專門創(chuàng)造,可準(zhǔn)許所有用戶在Android操作系統(tǒng)中完成終端設(shè)備的開發(fā)。通過對(duì)Android操作系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知,該系統(tǒng)主要包括四部分：操作系統(tǒng)、用戶界面、中間件以及應(yīng)用軟件。

1.1 應(yīng)用程序?qū)?/h3>

Android操作系統(tǒng)采用Java語言作為載體,以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部全部應(yīng)用程序的編寫,該系統(tǒng)安裝了核心應(yīng)用集合,該集合涵蓋了日歷、地圖等部分。該系統(tǒng)在Java語言的支持下,可有效提高程序編寫的精準(zhǔn)性[1]。

1.2 應(yīng)用程序框架層

Android操作系統(tǒng)內(nèi)包含應(yīng)用層API與傳感器兩大功能,該系統(tǒng)在兩種功能的支持下,有利于提高Android的兼容性。Android系統(tǒng)內(nèi)全部應(yīng)用程序均為服務(wù)與系統(tǒng),例如視圖、內(nèi)容供給者等。

1.3 C/C++庫

Android操作系統(tǒng)中包含C/C++庫集合,C/C++庫在系統(tǒng)的主要任務(wù)是為系統(tǒng)組件提供服務(wù),通過該方式滿足開發(fā)者的實(shí)際需求,在應(yīng)用程序框架的基礎(chǔ)上,為開發(fā)者提供幫助,便于用戶以最快的速度完成終端開發(fā)。

1.4 Android運(yùn)行

Android中含有核心庫集合,可為開發(fā)者提供更多可使用的多樣性功能,該功能的使用需在Java語言核心庫中實(shí)現(xiàn)。不同的Android應(yīng)用程序均為Dalvik虛擬機(jī)的實(shí)例,在實(shí)際運(yùn)行過程中,可在系統(tǒng)中處于獨(dú)立狀態(tài)。

1.5 Linux內(nèi)核

Android操作系統(tǒng)在為開發(fā)者提供核心服務(wù)時(shí),將Linux內(nèi)核作為系統(tǒng)的載體,Linux內(nèi)核指的是安全、內(nèi)存以及網(wǎng)絡(luò)等。Linux內(nèi)核可作為硬件與軟件之間的抽象層,在實(shí)際應(yīng)用過程中,為向上層提供統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù),可潛藏硬件的細(xì)節(jié)部分[2]。

2 基于Android的工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

通常情況下,工業(yè)鍋爐主要由空氣管路、燃?xì)夤苈贰?zhí)行機(jī)構(gòu)以及點(diǎn)火裝置等部分共同組成。本研究在建立工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí),將鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)以及對(duì)安全生產(chǎn)的實(shí)際要求作為主要依據(jù),并充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范,以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

通過對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知,該系統(tǒng)共包含三層,從下而上依次為控制器層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層以及移動(dòng)應(yīng)用層。其中,控制器層包含多種類型的控制器,可為系統(tǒng)不同模塊提供相應(yīng)的控制器;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的核心設(shè)備為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器,該設(shè)備可對(duì)鍋爐進(jìn)行實(shí)時(shí)控制;移動(dòng)應(yīng)用層為系統(tǒng)的核心部分,該層結(jié)構(gòu)包含了多個(gè)Android移動(dòng)客戶端。

2.1 控制器層

該層結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)的最底層,在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集工業(yè)鍋爐的模擬量PV數(shù)據(jù),PV數(shù)據(jù)包括鍋爐的溫度、壓力以及流量等。本研究對(duì)該層進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),將其劃分為傳感模塊、執(zhí)行模塊以及網(wǎng)絡(luò)模塊等部分。為保證該層的控制精準(zhǔn)性,成功采集鍋爐的PV數(shù)據(jù)后,在系統(tǒng)內(nèi)遠(yuǎn)程預(yù)設(shè)SV數(shù)值,并將SV數(shù)值作為主要依據(jù),對(duì)PV與SV數(shù)值之間存在偏差進(jìn)行判斷。當(dāng)偏差達(dá)到系統(tǒng)的閾值時(shí),需要采用PID控制算法完成偏差的計(jì)算,利用驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊對(duì)PV與SV數(shù)值的偏差進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,使二者處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。控制器在測(cè)量與控制工業(yè)鍋爐時(shí),可通過RS485串口建立網(wǎng)絡(luò)模塊與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層之間的通信連接,通過該方式將該層采集的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層[4]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層

該層結(jié)構(gòu)為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的中間層,其核心設(shè)備為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器,在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)建立與控制器層的通信連接,并向移動(dòng)應(yīng)用層發(fā)送采集數(shù)據(jù)。在建立與控制器層的通信連接時(shí),可通過RS485串口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通信建立過程中需要實(shí)時(shí)采集各個(gè)控制器的測(cè)量數(shù)據(jù),采集完畢的數(shù)據(jù)應(yīng)上傳至移動(dòng)應(yīng)用層,移動(dòng)應(yīng)用層可結(jié)合該數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層下達(dá)控制指令,由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[5]。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理,處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至本地BDE數(shù)據(jù)庫中,將工業(yè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)以及濾波后的數(shù)據(jù)顯示在本地工藝畫面中,同時(shí)該畫面也可動(dòng)態(tài)顯示鍋爐的運(yùn)行參數(shù)。

2.3 移動(dòng)應(yīng)用層

該層為鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵APP程序,本研究在對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),將Android平臺(tái)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),使移動(dòng)應(yīng)用層可在該平臺(tái)上運(yùn)行。用戶可將移動(dòng)應(yīng)用APP程序安裝到智能手機(jī)或者平板電腦中,便于不同的用戶隨時(shí)遠(yuǎn)程查看鍋爐的運(yùn)行情況,并對(duì)鍋爐的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行控制與管理。該層可使用以太網(wǎng)或者移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)建立通信,但鍋爐為特種設(shè)備,采用4G網(wǎng)絡(luò)建立通信連接時(shí),該網(wǎng)絡(luò)不允許遠(yuǎn)程控制鍋爐設(shè)備,僅支持遠(yuǎn)程對(duì)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看。為此,選用以太網(wǎng)作為系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò),建立不同設(shè)備之間的通信[6]。

將Android平臺(tái)作為系統(tǒng)的載體,建立完善的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),用戶可通過該手機(jī)端遠(yuǎn)程查看鍋爐的運(yùn)行狀態(tài),并管理與控制鍋爐的運(yùn)行參數(shù)。本研究為有效系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可維護(hù)性與可擴(kuò)展性,采用Modbus TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)移動(dòng)應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層。

3 基于Android的工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 控制器節(jié)點(diǎn)程序

控制器節(jié)點(diǎn)指的是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知、通信以及執(zhí)行部件,本研究對(duì)控制器節(jié)點(diǎn)程序進(jìn)行誰是,將其設(shè)計(jì)成MEMS智能儀器,該儀器主要由CPU、存儲(chǔ)器、USB以及傳感器等部分共同組成。為保證該程序的控制精度,選用AVR單片機(jī)作為程序的CPU,該單片機(jī)內(nèi)部含有增強(qiáng)型內(nèi)置Flash,具有超高的控制精度。

控制器節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是AVR單片機(jī)程序,該程序主要在C++語言的基礎(chǔ)上編寫,并采用多個(gè)函數(shù)對(duì)控制器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)控制。為保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可穩(wěn)定地運(yùn)行,在系統(tǒng)控制器中增加了Watch-Dog電路,該電路主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制器對(duì)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的控制情況。當(dāng)系統(tǒng)控制器出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象時(shí),系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)控制器進(jìn)行復(fù)位操作,最大限度地降低因控制器死機(jī)引發(fā)鍋爐發(fā)生故障的概率,有利于提高鍋爐的安全性。

3.2 IPC采集控制程序

該控制程序位于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的中間位置,本研究在設(shè)計(jì)采集控制程序時(shí),利用RS485串口將該程序連接至現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)控制器中,并通過以太網(wǎng)將采集的控制器數(shù)據(jù)傳送至移動(dòng)服務(wù)層的Android手機(jī)客戶端。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的功能模塊如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的功能模塊框圖

該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)由6個(gè)模塊共同組成：串口下行通信、鍋爐工藝、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)曲線、PID參數(shù)以及移動(dòng)上行通信模塊。在設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)時(shí),將Borland-Delphi6.0作為系統(tǒng)的開發(fā)工具,該系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在Paradox DB桌面中,同時(shí)選用Windows7專業(yè)版作為操作系統(tǒng)[7]。

3.3 Android平臺(tái)APP

Android平臺(tái)APP的設(shè)計(jì)為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,該APP可充分體現(xiàn)出鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控的便捷性。Android平臺(tái)APP的功能模塊與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的功能模塊內(nèi)容存在一定相似性,均采用Socket完成通信程序的編程,同時(shí)也可在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上完成編程。本研究在對(duì)Android平臺(tái)APP進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),采用Socket作為APP的Client端,并采用多線程的方式完成系統(tǒng)編程。

APP通信Thread的實(shí)現(xiàn)步驟為：①將Android平臺(tái)客戶端作為主要設(shè)計(jì)對(duì)象,創(chuàng)建出該客戶端的Socket對(duì)象;②設(shè)置遠(yuǎn)程服務(wù)端Socket的IP地址與Port端口號(hào);③由客戶端向服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求指令,以此實(shí)現(xiàn)Connect的連接;④若客戶端成功得到服務(wù)端的連接反應(yīng),則需要向服務(wù)端發(fā)出循環(huán)讀寫交互命令,等待通信任務(wù)完畢后,即可轉(zhuǎn)入步驟⑥;⑤若客戶端未能成功接收服務(wù)端的連接反應(yīng),則需要轉(zhuǎn)到步驟①,重新在服務(wù)端建立連接,產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是通信錯(cuò)誤或者連接超時(shí);⑥關(guān)閉Socket通信連接。通信Thread的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 通信Thread的實(shí)現(xiàn)流程圖

4 基于Android的工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

該功能在鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)既定范圍內(nèi)鍋爐的工作狀態(tài),監(jiān)測(cè)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息可用于能效分析與性能評(píng)估。為最大限度地提升系統(tǒng)的能效監(jiān)督管理水平,用戶在操作系統(tǒng)時(shí),可將現(xiàn)場(chǎng)安裝的監(jiān)測(cè)終端和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺(tái)作為載體,以此實(shí)現(xiàn)鍋爐動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的全方位觀察,同時(shí)可通過該功能充分了解鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)。本研究對(duì)該功能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于工業(yè)鍋爐相關(guān)參數(shù)與能效產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變化,可采用圖形化的方式進(jìn)行展示,有利于操作者對(duì)鍋爐的狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以此維持鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。為直接衡量鍋爐的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性,將鍋爐監(jiān)督管理的需求作為主要依據(jù),合理地設(shè)置參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值,便于用戶獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值[8]。

4.2 預(yù)警功能

當(dāng)鍋爐處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),需要預(yù)警功能維持鍋爐的安全性。預(yù)警功能在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)全程檢測(cè)鍋爐的排煙溫度、煙氣成分以及熱水溫度等性能指標(biāo),同時(shí)可精準(zhǔn)判別現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài),在發(fā)現(xiàn)異常傳輸?shù)那闆r時(shí),將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。預(yù)警功能可在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值或者實(shí)效低于閾值時(shí),采取相應(yīng)的報(bào)警模式,提示操作人員對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行查看。

預(yù)警功能可對(duì)閾值進(jìn)行設(shè)定與更新,并且該功能可查詢和顯示報(bào)警記錄。該模塊的報(bào)警閾值由操作人員自行設(shè)定,也可將國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為主要依據(jù),以此完成報(bào)警閾值的設(shè)定。系統(tǒng)可充分結(jié)合設(shè)定值對(duì)鍋爐的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行判斷,若監(jiān)測(cè)參數(shù)超過閾值時(shí),終端可采用聲光報(bào)警的方式向工作人員發(fā)送信號(hào),并將異常數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。用戶可通過Android平臺(tái)客戶端查詢歷史報(bào)警記錄,并對(duì)鍋爐的異常情況進(jìn)行分析。

4.3 歷史數(shù)據(jù)管理功能

該功能在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)管理與統(tǒng)計(jì)鍋爐的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),用戶在管理鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí),可利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)查詢鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù),鍋爐的能效變化趨勢(shì)可以圖形的形式呈現(xiàn),便于用戶精準(zhǔn)掌握鍋爐的能效水平。為方便用戶對(duì)鍋爐的運(yùn)行與保養(yǎng)狀況進(jìn)行全面了解,在該功能模塊內(nèi)部增加了報(bào)警記錄與設(shè)備維修記錄的查詢功能。歷史數(shù)據(jù)管理功能可將用戶的需求作為主要依據(jù),為用戶提供歷史數(shù)據(jù)報(bào)表打印的服務(wù),用戶可在系統(tǒng)中根據(jù)數(shù)據(jù)的時(shí)間與類型進(jìn)行自定義查詢。同時(shí)可通過表格的方式統(tǒng)計(jì)和選擇歷史數(shù)據(jù)[9]。

4.4 能效綜合評(píng)價(jià)功能

為進(jìn)一步分析鍋爐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),本研究設(shè)計(jì)了能效綜合評(píng)價(jià)功能,該功能可全方位地評(píng)價(jià)鍋爐的能效與運(yùn)行管理水平。同時(shí)設(shè)計(jì)了各項(xiàng)指標(biāo),主要包括實(shí)時(shí)能效、能效綜合評(píng)價(jià)以及周期性能指標(biāo)。為精準(zhǔn)獲取鍋爐的實(shí)時(shí)熱效率,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為熱效率計(jì)算的主要依據(jù),并完成鍋爐能效的計(jì)算。當(dāng)鍋爐能效與系統(tǒng)設(shè)定值之間存在較大差異時(shí),系統(tǒng)可自動(dòng)向操作人員發(fā)送報(bào)警信號(hào),提示操作人員及時(shí)調(diào)整鍋爐運(yùn)行參數(shù)。

5 結(jié) 語

本研究為實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐能效的在線監(jiān)測(cè),將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為核心技術(shù),并將Android操作系統(tǒng)作為載體,設(shè)計(jì)出鍋爐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)對(duì)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),有利于真實(shí)地反映出鍋爐的能效,同時(shí)可提高節(jié)能診斷效率與準(zhǔn)確性,為鍋爐的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行提供技術(shù)支撐。該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、可靠性等特點(diǎn),將其應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,可有效改變工業(yè)鍋爐的不利現(xiàn)狀,并且具有非常突出的實(shí)踐效果。