基于安卓系統的道岔尖軌降低值測量儀上位機軟件設計

張鈺熒 高春雷 周佳亮

1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

尖軌降低值不良可造成列車在通過道岔時，尤其是順向過岔時輪軌接觸從尖軌到基本軌過渡不平穩。尖軌相對于基本軌降低值超過1 mm，影響行車平穩性時須對尖軌進行修理或更換［1］。因此，精確測量尖軌相對于基本軌降低值是十分必要的。

道岔尖軌降低值測量儀（以下簡稱尖軌測量儀）用于道岔的檢測和維修，具有測量效率高、精度高、結構簡單緊湊、重量輕等諸多優點［2］。目前對于尖軌測量儀的使用，有些鐵路局采用人工記錄數據以及處理數據，效率不高；部分采用基于Windows系統開發的上位機軟件獲取所測數據，存在硬件攜帶、數據轉換存儲不便捷的問題。因此需要一種更便捷的方式解決這些問題。與電腦相比，手機更加便于攜帶，并且在野外沒有網線的情況下，手機轉存數據更加方便快捷。如果能利用手機APP獲得尖軌測量儀所測數據并且在輸入標準值等參數后就可以計算出誤差，將會為現場工作帶來極大便利。

針對上述情形課題組基于安卓系統開發了一款通過藍牙與尖軌測量儀進行數據傳輸，并可以對接受到的數據進行處理與儲存的上位機應用軟件。本文先介紹測量系統，再分述軟件的設計與測試。

1 測量系統

上位機為安卓手機，下位機為以單片機為處理器的尖軌測量儀。上位機和下位機組成測量系統，其間通過無線傳輸交互數據。

1.1 上位機的功能

上位機是該測量系統的核心組成單元，其主要功能有：

1）數據通信。實現上位機與尖軌測量儀之間的通信，可以獲得儀器所測數據、儀器時鐘及校準儀器時鐘。

2）數據處理。由于安卓界面的數據顯示與單片機不同，須對數據解析處理。根據已經獲得的測量數據和用戶輸入的測量地點、標準值計算出相應的誤差。

3）數據顯示。顯示傳輸過來的測量數據，包括序號、測量時間和測量數值；顯示用戶輸入的測量地點與標準值參數以及計算后的誤差。

4）文件管理。將接收到的數據根據接收時間生成txt文件，存儲到指定路徑；在用戶輸入測量地點與測量值后對數據進行運算，并將相應數據生成excel文件存儲到指定路徑。

1.2 上下位機通信技術

實現上位機與尖軌測量儀之間的通信有多種方式。最初的數據傳輸主要通過有線的方式來實現。隨著科技水平的提高，人們開始采用更加便捷的無線通信技術來傳輸數據［3-4］。目前流行的無線通信技術有IrDA、藍牙、WIFI［5］。這三種無線通信技術對比見表1。

表1 三種無線通信技術對比

IrDA的主要優點是體積小、功耗低、連接方便、簡單易用，缺點是要求2個相互通信的設備對準，中間不能被其他物體阻隔。藍牙的工作頻率為2.4 GHz，有效范圍10 m，具有低成本、低功耗、高速率、方便快捷的優點［6-9］。WIFI數據傳輸速率最高可達11 MB∕s。雖然在數據安全性方面比藍牙稍差，但其電波的覆蓋范圍大于藍牙。

由于尖軌測量儀應用在鐵路上，經常需要野外作業，無電源補充裝置，僅能依靠攜帶電池補充能量，因此最好采用低功耗的通信技術來傳輸數據。野外作業環境比較艱苦，若尖軌測量儀的通信范圍太小會不利于作業。綜合以上考慮，該儀器采用藍牙傳輸數據。目前大家普遍使用的智能手機中都有藍牙，使用藍牙傳輸數據無需額外的設備投入，經濟又方便。

2 軟件設計

軟件基于Android Studio 3.6.3平臺開發，使用的編程語言為Java。軟件可以在安裝有Android 4.1版本以上的設備上運行。根據谷歌官方數據顯示，截止到2020年，擁有Android 4.1及以上版本的智能手機在市場上的占有率已經超過99%。

2.1 軟件流程

軟件使用流程為：①用戶授予軟件存儲權限。該軟件設有默認存儲路徑，用戶也可自行選擇存儲路徑并新建文件夾。②用戶打開藍牙，選擇要連接的設備，連接成功后可根據需要校準儀器時鐘，獲得儀器所測數據并保存為txt文件。③用戶選擇要分析的文件，將測量值導入，輸入測量地點與標準值，計算出誤差，并將相關信息輸出，保存為同路徑下的excel文件。

安卓6.0以上版本的手機在打開藍牙搜索設備之前需要請求定位權限。安卓10.0版本為了方便用戶更好處理數據，采用了分區存儲機制。請求權限時注意請求這些權限。

2.2 藍牙通信流程

在用戶授予相關權限并開啟手機藍牙后，藍牙開始搜索藍牙設備。用戶選擇想要連接的藍牙設備，首次配對需要輸入配對碼。配對成功后會提示用戶，即可開始相關數據的傳輸。為了方便用戶選擇要連接的設備，加裝有藍牙的尖軌測量儀定名為HC?02，且APP內僅可以搜到名稱為HC?02的藍牙設備。

已經完成了藍牙配對的Android設備通過調用BluetoothSocket中的getInputStream來獲得輸入流，通過調用getOutputStream獲得輸出流。

2.3 數據傳輸與處理流程

數據傳輸與處理流程見圖1。

圖1 數據傳輸與處理流程

重要步序的具體內容為：

1）約定通信協議

在與單片機進行通信時，需要事先約定好通信協議。在APP中的相關功能下配置好所對應的協議，以便實現相關功能。通過與單片機通信可以實現的功能有校準儀器時鐘、讀儀器時鐘、傳輸數據和清除數據。

2）數據校驗

為了保證通信更加安全有效，設計中對數據的格式進行了定義。將發送的傳感器數據分成兩部分，前半部分數據中的6個字節為攜帶有效信息位。后半部分為校驗位，用于校驗上位機數據是否丟失。若數據丟失，需重新傳輸。

3）提取數據

該軟件采用正則表達式［10-11］對接收到的數據進行處理。正則表達式是對字符串操作的一種邏輯公式，就是用事先定義好的一些特定字符及其組合，組成一個規則字符串。用這個規則字符串來對字符串進行處理。在提取出數據中的有效信息后，這些有效信息會被處理成日常用的十進制數據并顯示。

4）生成txt文件

傳輸數據完成后，利用FileOutputStream將原始數據保存到一個以傳輸完成時間命名的txt內。

5）導入txt文件

用戶選擇好需要處理的txt文件，利用FileOutputStream將該txt內的原始數據導入，用戶輸入與原始數據相對應的測量地點與標準值，即可計算出誤差。

6）導出excel文件

計算完成后測量地點、標準值、測量值與誤差均保存在excel文件內。為便于用戶后續查找，名字為所處理txt文件的名字＋Ann。用Java語言編寫開發的jxl.jar將數據以規定好的格式制作成excel表格，存儲到手機上。

處理好的數據須完好保存，以便給養護維修提供數據支持。保存的數據有txt和excel兩種格式。txt格式方便用戶直接查看原始數據，excel格式方便用戶針對誤差大小與地點進行維修。

3 軟件測試

編寫、調試后的程序界面見圖2。

圖2 程序界面

軟件在模擬器以及不同品牌的手機上測試無誤后生成了軟件的安裝包（apk文件）。為了保證軟件在大部分安卓手機上均可運行，軟件的API（Application Programming Interface）級別設置為16。這個級別表示軟件可以在Android 4.1版本及以上的手機上運行。

現場測量見圖3，測量時軟件在手機上的運行界面見圖4。

圖3 現場測量

圖4 軟件在手機上的運行界面

經過現場實測，該軟件可以實現數據通信、數據處理、文件管理與數據顯示功能，人機交互體驗良好，可以滿足現場需要。該軟件在不同品牌、不同型號的安卓智能手機上均能正常運行，說明其通用性和兼容性好。

4 結語

本文基于安卓平臺利用Android Studio設計了一款與尖軌測量儀配套使用的軟件。用戶可以通過手機軟件獲取尖軌測量儀所測數據，并可對所測數據進行處理。所測數據保存到手機上可隨時查看，數據可視化程度高，保存后的數據文件可指導以后的養護維修工作，極大提高野外工作效率，降低了使用和維護成本。該軟件利用了智能手機普及率高的優勢，具有成本低、覆蓋廣、操作簡便、人機交互體驗良好、通用性強等優點。經現場應用，效率良好，值得推廣。