基于Android的移動化工業人機交互系統設計*

劉 挺， 徐哲壯， 何偉東， 樂 喜， 熊 甜

(福州大學 電氣工程與自動化學院 自動化系，福建 福州 350108)

基于Android的移動化工業人機交互系統設計*

劉 挺， 徐哲壯， 何偉東， 樂 喜， 熊 甜

(福州大學電氣工程與自動化學院自動化系，福建福州350108)

針對現有工業人機交互(HMI)界面存在無法移動，靈活性差等問題，設計了基于Android的移動化工業人機交互系統。系統通過設計藍牙/RS—485網關模塊，在Android智能設備與可編程邏輯控制器(PLC)之間建立可靠的數據通道，使二者能進行雙向通信。基于Android的工業人機交互軟件可以進行可視化的監測與圖形化的控制輸入，實現人機交互系統的移動化、智能化。在某熱熔膠機的HMI系統上進行實驗，結果證明：系統能夠在設備周圍的任意位置實時可靠地顯示傳感器數據并修改參數，提高了工業現場HMI的效率。

工業人機交互； 藍牙； Android； 可編程邏輯控制器

0 引 言

在工業控制中，由人機交互(human-machine interaction，HMI)界面提供工業現場的實時信息反饋并為工業控制提供該過程的輸入界面。隨著電子信息技術的進步，人機界面已經從最初的“按鈕+LED”的組合，逐步發展為更加直觀的觸摸屏設備，并具備數據通信的功能[1,2]。

然而，目前在工業現場所使用的HMI 設備仍然采用以機器為中心的設計思路，即HMI 與機器單獨綁定[3]。對于長型、大型設備，該固定模式在調試時難以兼顧觀察設備實際運行狀態與使用HMI調整設備參數。調試人員不得不頻繁往返于HMI與工業設備狀態輸出位置，效率低下。同時該模式也存在著 HMI 功能升級困難、用戶體驗不統一、多設備聯調困難等問題，存在操作失誤的隱患，同時又增加了硬件及維護的成本。

Android智能設備具有移動化、智能化特性[4]。藍牙4.0技術可實現信息采集處理和傳遞[5～7]。本文將二者結合設計了基于Android的移動化工業HMI系統，實現了Andorid智能設備對工業設備狀態的監控。并從整體方案設計、系統架構組成、硬件設計和軟件架構方面詳細闡述。最后，將該系統應用于熱熔膠機溫度的監控，證明了移動化HMI系統的可行性。

1 系統方案設計

基于Android的移動化工業人機交互系統框架如圖1所示，主要由3部分組成：Android智能設備、藍牙/RS—485網關模塊、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)。其中，Android智能設備指使用Android操作系統的平板電腦、手機等常見的手持無線智能終端。藍牙/RS—485網關模塊集成了藍牙芯片和RS—485通信芯片，能夠同時支持藍牙無線通信和RS—485通信。PLC為工業用可編程工業控制器。Android智能設備與藍牙/RS—485網關模塊之間通過藍牙無線通信來實現信息交互。同時藍牙/RS—485網關模塊通過屏蔽雙絞線連接到PLC的RS—485通信接口，二者通過Modbus RTU協議進行雙向數據通信。藍牙/RS—485網關模塊實現藍牙信號與RS—485信號的雙向轉換，建立Android設備與PLC的數據鏈路，從而實現Android智能設備和PLC之間信息交互的目的。該方案通過Android設備對工業設備進行操控、調試，實現HMI的移動化、智能化，提升工業現場工業設備的調試效率。

圖1 系統框架

1.1 Android智能設備

系統中，Android設備需具有兩大功能：1)將收集的數據以不同的方式顯示在屏幕上，供查看。2)操作Android設備將控制命令、數據發送至PLC。

Android設備直接與藍牙/RS—485網關模塊進行通信，通過工作在2.4GHz無線通信頻段的藍牙4.0進行數據傳輸。首先，Android設備打開藍牙，通過選擇目標網關模塊的藍牙地址來建立連接。當Android設備接收到網關模塊發送的數據包時，Android設備采用圖片、文字、波形圖、列表等方式將數據信息直觀表現在界面上，以便查看相關數據，根據數據信息進行處理判斷，操作Android設備將控制命令、數據發送至PLC，使工業設備按照期望目標運行。

1.2 藍牙/RS—485網關模塊

模塊負責實現藍牙4.0信號與RS—485信號的雙向轉換，從而實現Android設備與PLC的相互通信。在物理連接方面，網關模塊通過工作在2.4GHz無線頻段的藍牙4.0與Android設備連接，運行藍牙4.0協議；通過有線連接的RS—485接口與PLC連接，運行Modbus RTU協議。

網關模塊同時與Android設備和PLC通信。網關模塊接收到Android設備的數據包，根據藍牙4.0協議標準解析數據包，獲取有效數據，將Android設備想要發送的控制指令或數據轉換成Modbus協議，再傳遞給PLC，使PLC能夠識別來自Android設備的控制指令。同時，網關模塊接收PLC發送的數據，根據Modbus RTU協議解析數據包，分析協議數據中PLC所采集到的數據狀態，再將重要數據轉換為藍牙4.0協議標準的數據包，發送至Android設備，從而將PLC采集的數據信息實時傳輸至Android設備。

1.3 PLC

PLC負責采集工業設備的狀態數據，并發送至網關模塊，并響應網關模塊的控制指令，執行相應操作。PLC與網關模塊通過RS—485接口實現通信，用屏蔽雙絞線進行連接，軟件中均采用Modbus RTU協議通信。

PLC通過RS—485接口與網關模塊連接，該連接的網絡拓撲有3種：PLC與網關模塊點對點連接、一臺PLC連接多個網關模塊、一個網關模塊連接多個PLC。PLC實時采集工業設備狀態數據，存儲于內部寄存器中，在周期性的查詢應答循環中將數據發送至網關模塊。當PLC接收到網關模塊的控制指令，根據內嵌的控制邏輯響應控制指令，實現對工業設備的控制。

2 硬件平臺搭建

2.1 Android智能設備

采用的Android智能設備為Google公司的Nexus9平板電腦，具有Android5.1操作系統， BCM4354無線通信芯片以支持藍牙無線通信。

2.2 藍牙/RS—485網關模塊設計

網關模塊需要同時連接Android設備與PLC，能夠同時支持藍牙無線通信和RS—485通信，此外模塊還需要擁有獨立數據處理能力，以便進行藍牙與RS—485兩種異構協議標準的格式轉換。

網關模塊的硬件結構如圖2所示，該模塊應能與其他藍牙設備進行連接與通信，支持所有帶有RS—485接口的PLC，硬件部分包括主控制器、RS—485接口、調試電路等電路模塊，具體功能為：1)主控制器：進行信號處理、數據計算，以便在主控制器上實現藍牙功能；該模塊選取TI公司的CC2540作為主控芯片與藍牙通信芯片；2)天線模塊：包括天線部分和匹配電路，要求能接收與發送2.4GHz頻段的信號，能通過匹配電路將無線信號轉換為控制器能識別的電平信號；3)RS—485接口：用于連接PLC，實現與PLC之間的數據交換；4)調試電路：用于在硬件模塊上燒錄、運行、調試程序；5)電源：為網關模塊提供3.3V電源；6)晶振：為處理器提供工作時鐘；7)復位電路：為系統復位提供所需的高、低電平；8)LED電路：用于顯示系統電源、運行的狀態。以下主要介紹RS—485接口電路。

圖2 藍牙/RS—485網關模塊結構

RS—485接口電路的主要用于將來自藍牙芯片的通信發送信號TX轉換為RS—485通信網絡中的差分信號，或將來自RS—485通信網絡中的差分數據信號轉換為藍牙芯片能夠識別的串口RX電平信號。為了使模塊能夠輸出RS—485標準的差分電壓狀態，采用MAX3485芯片，接口電路如圖3所示。

圖3 RS—485接口電路

2.3 PLC

采用臺達公司的DVP12SE11R PLC，具有8路輸入，4路輸出，支持RS—485通信和以太網通信。PLC與網關模塊采用點對點連接的拓撲結構，即每臺PLC均連接有一個網關模塊，在進行RS—485通信時，PLC為主站，網關模塊為從站，實現PLC與網關模塊之間的通信。

3 人機交互系統軟件設計

3.1 Android智能設備的軟件設計

程序開發基于Android5.1系統，使用開發工具Eclipse。軟件程序主要包含藍牙地址數據庫建立、藍牙連接、藍牙數據傳輸、數據顯示和修改功能。

1)藍牙地址數據庫建立：為了防止非網關模塊的藍牙帶來的干擾，需要在Android程序中使用SQLite建立網關模塊藍牙地址數據庫，將工業現場可被連接網關模塊的藍牙地址保存在該數據庫中。

2)藍牙連接：藍牙無線通信具有2種角色：中心設備和外圍設備。網關模塊被設定為外圍設備處于廣播模式，Android設備被設定為中心設備開啟掃描模式。當掃描發現藍牙設備時，可獲得該藍牙對應的物理地址、名稱、接收信號強度指示(received signal strength Indication，RSSI)。首先，對藍牙的物理地址進行判斷，若該地址不屬于藍牙地址數據庫，則屏蔽；反之，將該地址加入到可連接清單，待掃描結束將可連接清單以列表的方式顯示。選擇目標網關模塊對應的藍牙地址，發送連接請求，并建立連接。

3)藍牙數據傳輸：建立連接后，作為中心設備的Android設備將搜索外圍設備支持的服務(service)和屬性值(characteristic)，通過通用唯一識別碼(universally unique identifier，UUID)對相應的Characteristic進行讀取和寫入操作，完成數據交互。為了保證Android設備與網關模塊藍牙信息傳輸的實時性，Android程序專門建立一個數據處理線程用于對藍牙數據的接收和發送。

4)數據顯示和修改：建立處理Android界面更新的異步線程，將數據收發和界面更新分為2個線程，兩者之間互不影響。數據處理線程接收到網關模塊數據后，將數據通過Android的基本組件BroadcastReceiver將數據通過廣播的方式傳送給界面更新線程，進而將數據顯示在界面上。當通過Android界面對數據進行修改時，界面更新線程將該數據廣播從而傳送給數據傳輸線程，再通過寫值操作，改變網關模塊相應屬性的數據。

圖4 Android設備的軟件結構

3.2 藍牙/RS—485網關模塊軟件設計

網關模塊的軟件程序負責分析藍牙4.0通信協議和Modbus協議數據，進而在兩種協議之間嵌入轉換程序，完成藍牙協議與Modbus協議的自由雙向轉換，實現網關模塊與Android智能設備、PLC同時進行連接與通信。軟件結構如圖5所示，網關模塊預留64kB的內存區域，作為數據寄存器，藍牙4.0協議與Modbus協議的請求、操作等均通過直接對數據寄存器進行讀/寫操作完成。

圖5 網關模塊軟件結構

當Android設備發送數據時，調制成為2.4GHz頻段的無線信號，網關模塊接收到信號，進行信號解調與處理，獲取Android設備發送的數據信息；經過數據校驗確認數據的正確性后，網關模塊根據藍牙4.0協議解析數據包，解包獲得有效數據；根據Android設備發送的數據往數據寄存器中寫值。

從PLC采集的數據發生變化，即PLC對數據寄存器進行寫值操作時，OSAL操作系統讀取數據寄存器的數值，存放到緩沖寄存器，由協議層逐層封裝，將數據轉換為符合藍牙4.0協議的數據格式；數據包經過調制轉換為無線信號，通過天線模塊發送到2.4GHz無線頻段，等待Android設備接收該數據包。

PLC與網關模塊采用Modbus RTU協議，PLC設定為主站，網關模塊為從站。當PLC需要對數據寄存器寫值，或從數據寄存器讀值，PLC主動發送查詢消息，該消息可以包含讀值或寫值命令碼；網關模塊接收到查詢消息，校驗數據的正確性后，解析Modbus協議數據包，分析其命令碼與數據域；根據查詢消息，OSAL按照地址映射，相應地對數據寄存器進行讀/寫操作；響應查詢消息的操作后，網關模塊根據查詢消息的命令碼，將所需的數據封裝為Modbus協議數據格式，生成應答消息，發送至PLC。

4 測試與結果

將所述基于Android的移動化工業人機交互系統應用于熱熔膠機溫度的監控。開發了“膠機管理系統”APP，在藍牙通信范圍內可實時監測顯示熱熔膠機熔缸、槍體、膠管的溫度以及變頻參數等，同時通過對APP界面的操作，可修改熱熔膠機的溫度以及其他參數。本次測試中“膠機管理系統”共監測2個熔缸、6個膠管、8把槍體的溫度，槍體溫度的監控頁面如圖6所示。

圖6 槍體溫度監測界面

如圖6所示的測試的結果，“膠機管理系統”APP能夠準確地顯示熱熔膠機的溫度，反映熱熔膠機的實際運行情況，在藍牙通信范圍內可修改控制熱熔膠機溫度，所以,該移動化人機交互系統能夠可靠、穩定的運行。

為了測試移動化工業人機交互系統在工業現場的可靠操作范圍，在測試的過程中不斷改變Android設備與網關模塊之間的距離，并在每個距離下均發送100個數據包，觀察通信質量，具體測試情況如表1所示。

通過測試發現在10m之內，Android設備與網關模塊之間的數據傳輸沒有發生丟包，通信質量較佳，10m的通信距離滿足現場級別的對工業設備移動化操控要求。

表1 通信質量測試結果

5 結 論

設計并實現了基于Android的移動化工業人機交互系統，將現有固定模式的HMI設備向移動化人機交互發展，提升人機交互效率。同時，該系統的應用實例熱熔膠機溫度監測系統，能夠實時地顯示熱熔膠機溫度參數，可利用Android設備實現移動化的參數修改，達到了移動化人機交互的目的。

[1] 劉佰鑫,劉成良,貢 亮.基于觸屏設備的人機交互界面設計[J].機電一體化,2015,21(4):5-9.

[2] 杭久成,何衛平.淺析數控機床觸摸屏人機交互界面設計[J].機械制造,2008(3):23-26.

[3] 寇 恒.西門子PLC與HMI的以太網通訊的應用[J].天津職業院校聯合學報,2014(5):23-26.

[4] 羅 彪,李 彬,張岱峰,等.基于Android系統的無線多點測溫系統設計[J].傳感器與微系統,2016,35(3):56-59.

[5] Johanna N,Carles G,Markus I,et al.Networking solutions for connecting Bluetooth low energy enabled machines to the Internet of things[J].IEEE Network,2014,28(6):83-90.

[6] 徐小輝,李磊民,文貴印,等.一種藍牙傳感器網絡的設計與實現[J].傳感器與微系統,2007,26(9):23-26.

[7] Lin J,Timothy T,Ozan K.On the potential of Bluetooth low energy technology for vehicular applications[J].IEEE Communications Magazine,2015,53(1):267-275.

Designofmobileindustrialhuman-machineinteractionsystembasedonAndroid*

LIU Ting， XU Zhe-zhuang， HE Wei-dong， YUE Xi， XIONG Tian

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，FuzhouUniversity，Fuzhou350108，China)

Aiming at problems that existing industrial human-machine interface(HMI) is immobile and has poor flexibility,mobile industrial human-machine interaction system based on Android is designed.The Bluetooth-RS485gateway module is designed to establish reliable data channel between Android smart devices and programmable logic controller(PLC).The Android-based software is developed to provide visual data monitoring and graphical control input that implements mobile and intelligent human-machine interaction system.It is implemented in a hot melt glue machine.Experimental results show that the system can display sensor data and modify parameters at any place around the machine,improve efficiency of industrial human-machine interaction.

industrial human-machine interaction(HMI)； Bluetooth； Android； programmable logic controller

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0111—04

2016—10—18

國家自然科學基金資助項目(61304260,61673116)；福建省自然科學基金資助項目(2014J05072)

TP 393

A

1000—9787(2017)10—0111—04

劉 挺(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為工業物聯網。