基于安卓的在線氣體分析儀遠程監控系統設計

張玉嬌，謝文蘭，劉玉航

（中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，青島 266580）

0 引言

在工業生產中，氣體分析儀可以運行在腐蝕性、刺激性、高粉塵濃度等多種嚴苛工藝環境中，檢測生產現場中氧氣濃度、透光率、環境溫度、壓力等參數。為保障生產安全，設計一種針對激光氣體分析儀的遠程監控系統，使得對工業現場的遠程監控和指令控制不受時空限制。

現有遠程監控系統可大致分為兩大類，第一類是以DCS 分布式控制系統為核心的遠程監控系統，一般面向大型工廠的監控系統使用；第二類是以PLC 為控制核心的遠程監控系統，一般面向中小型系統使用。這兩類監控系統都適用于多臺監控設備的系統，例如，陳智國以PLC 為控制核心，通過Modbus 協議與現場的空壓機等設備進行通信，將數據通過工業以太網轉發至上位機監控電腦。與此類似，鄭鵬的監控系統同樣以PLC 為核心，使用了MPI 協議實現數據通信。關于遠程監控系統所使用的通信技術，主要有藍牙、ZigBee 等短距離通信技術，和窄帶物聯網（NB-IoT）、長距離無線傳輸技術（LoRa）等具備廣覆蓋特性的技術。例如，蘇世雄等利用無線傳感器網絡技術，設計了基于Zigbee 的遠程監控系統，該系統具有組網便捷、低功耗等特點。程力等也使用ZigBee技術組建無線網絡，采集大棚內參數數據和圖像數據，通過GPRS無線傳輸至后臺監控設備進行處理分析。而孫潔等則利用NB-IoT 技術設計了遠程糧情監控系統，實現對較廣范圍糧倉環境參數的實時監測與控制，李彥吉等使用CAN現場總線和CANOPEN協議，運用了擴頻原理的長距離無線傳輸技術，通過訪問瀏覽器訪問客戶端，實現牽引變電所室內氣體含量和積水情況的遠程監測。林飛設計了一種基于LIN總線的采煤機遠程監控系統，使用SCI/UART 協議，使得數據傳輸距離較遠，系統運行穩定可靠。王琛琛等開發的遠程監控系統結合了計算機技術、工業以太網技術、現場總線技術、信息技術、組態技術和智能控制技術，保障裝置自動穩定運行和遠程監控實時高效。關于遠程監控系統的網絡結構模式有兩種，B/S 模式和C/S 模式。B/S 即Browser/Server（瀏覽器/服務器）結構，客戶端采用瀏覽器運行即可。例如，李錦華等使用了B/S 模式下的遠程監控技術，結合了瀏覽器和服務器的功能，管理人員可通過任意一部能上網的設備訪問瀏覽器進行管理。吳雙玉等也設計了一種基于B/S的遠程監控系統，利 用Modbus、FOCAS、OPC UA、A2 和LSV-2 等技術采集工業現場溫濕度的數據等。C/S 又稱Client/Server 或客戶/服務器模式，客戶端需要安裝專用的客戶端軟件。例如丁濤等通過API Cloud 移動應用開發平臺，在云端進行編譯，采用HTMLICSS 和Java Script 等Web 技術進行編碼，設計開發了安卓APP 監控端。劉文娟利用C#開發數據的可視化面板，設計了基于安卓的工業化氣體濃度遠程監控系統，該系統實現了車間氣體參數的遠程監控，具有很好的兼容性。湯春球等通過Qt 平臺設計監控系統手機APP，實現手機用戶對車間設備的遠程監控和指令控制。也可以使用兩種網絡結構模式，使兩種模式優勢互補，駱東松等開發了Win Form 窗體應用軟件和基于ASP.NET 的遠程監控網站，利用互聯網將溫室參數實時傳輸給遠程數據庫服務器。劉麗靜等利用電控系統的PLC、4G 全網通網絡和云平臺，遠程監控終端通過網頁或者APP 客戶端實現用戶與系統之間的通信和交互。

綜上所述，目前工業現場常規的方式是傳輸數據到企業中控室的DCS 或PLC 系統上，其數據僅供中控室操作人員監視使用，并且面向多臺氣體分析儀使用。在現有疫情的基礎下，隔離、居家辦公成為疫情防控應對常態，常規監控方式不能滿足疫情防控要求。而由于氣體分析在工業生產方面的重要性，本系統面向一臺TDLS 激光氣體分析儀，使用JAVA 語言在Android Studio 平臺開發APP，設計基于安卓的在線氣體分析儀遠程監控系統，通過Modbus 協議實現與生產現場的氣體分析儀進行遠程數據通信。操作人員通過在安卓系統上安裝該APP，可以在平板或手機上直接觀看、分析和管理生產現場的氣體濃度含量等信息。該遠程監控系統不僅能夠響應疫情防控要求，隨時隨地線上辦公，還能提高工作效率。

1 監控系統總體設計

1.1 TSLD激光氣體分析儀

橫河TDLS 8000 波長可變半導體激光光譜儀，即TDLS 激光氣體分析儀，將行業內氣體分析儀的所有特點集中到了一臺堅固的設備中。其可用于現場測量O、CO、CH、NH、HO 及更多種其它NIR 吸收氣體，不需要樣品取出和樣品處理。由于TDLS 激光氣體分析儀可用于多種應用中，使得使用和維護更加方便。

1.2 系統通信設計

移動終端和氣體分析儀之間的數據通信，是遠程監控系統的基礎。目前TDLS 氣體分析儀本身支持HART 和Modbus TCP 兩種通信協議。對于HART 協議，它是可尋址遠程傳感器高速通道幵放協議，最初由美國羅斯蒙特推出，經過多年的應用，目前己經成為一項國際標準。如果采用HART 協議，由于安卓設備不直接支持HART通信協議，需要考慮通過HART協議轉換為藍牙、TCP 等協議，實現通信接口轉換。如果采用Modbus TCP 通信協議，則不需要協議轉換器，直接將氣體分析儀連接有線網絡或者加裝無線WiFi 模塊，即可建立數據鏈接。在本文中，采用Modbus TCP 協議實現在線分析儀遠程監控系統與在線分析儀的數據通信。在安卓開發環境下，利用jmod 開發包實現與在線氣體分析儀的Modbus TCP 通信，從而實現氣體含量的數據通信，其通信結構框圖如圖1所示。

圖1 通信結構框圖

1.3 系統模塊組成

基于安卓的在線氣體分析儀遠程監控系統通過Modbus TCP 協議，以氣體分析儀作為上位機，安卓客戶端作為移動終端實現對在線氣體分析儀的數據傳輸功能。該遠程監控系統能實現對在線氣體分析儀的數據采集、數據顯示、數據分析、參數配置等功能，對工業現場的氣體進行實時遠程監控，具有功能強大、監控距離遠、便捷等優勢。該系統由數據通信組網模塊、氣體曲線分析模塊、報警模塊、信息顯示模塊和設定標定模塊組成，如圖2所示。

圖2 監控系統模塊組成

2 安卓客戶端界面設計

安卓客戶端界面的設計采用樹狀界面結構。客戶端界面包括:主界面、曲線顯示、報警、信息顯示以及設置界面。客戶端界面底部設有導航欄的控件，用戶可通過觸摸不同的圖案進入不同的界面。客戶端操作流程如圖3所示。

圖3 客戶端操作流程

2.1 主界面設計

主界面的設計用來實現當前氣體的實時監測，通過添加控件，實現了通過儀表盤的方式進行氣體數據的實時顯示，儀表盤的制作使用Canvas 繪制儀表刻度盤，通過填充數據實現動態顯示當前氣體的濃度值的數值，表盤指針根據數值的變化而變化。如圖4所示，主界面中顯示的具體數據包括氣體類型及其含量、透光率、環境溫度、氣壓。

圖4 主界面

2.2 曲線界面設計

曲線界面通過繪制二維坐標系，描繪目標氣體對激光光源的吸收峰值，以此判斷氣體的成分及其含量，進而顯示氣體參數的變化趨勢，給用戶提供更加直觀的顯示方式。如圖5 所示，曲線界面中可顯示某氣體氧含量及其透光率、溫度、壓力的二維曲線圖，各數據與主界面中的數據一一對應。曲線界面的坐標系共用一個時間橫軸，數據更新時間間隔為一分鐘；縱坐標的設置根據測量目標量程范圍的不同而自適應，從而做到界面的美觀、協調。

圖5 曲線顯示界面

2.3 報警界面設計

報警界面可以根據自動識別實時數據所表示的危險程度，做出相應的報警，給予合理措施。根據TDLS 氣體分析儀的參數配置，先大體分析出氣體異常方向。例如，當TDLS 氣體分析儀報警序號為6 時，表示氣體1 濃度偏高。此時系統以彈窗的形式彈出異常警報，不斷在系統右上角指示燈的位置閃爍紅燈發出警報，并調取該氣體具體數據進行分析，形成報告后在報警界面以表格的形式呈現給用戶。

如圖6所示，表格中針對每條數據按照各個氣體的標準濃度分析出不同的危險程度，以超出設定值百分比的形式顯示報警值。例如，當氧含量出現異常偏高時，系統自動獲取異常時間點，通過分析給出報警內容“氧含量偏高”，同時給出具體的報警值，以便于用戶結合情況做出具體的應對措施。本系統的報警項主要有溫度偏高、溫度偏低、壓力偏高、壓力偏低、透光率偏高、透光率偏低、氣體xx 含量偏高、氣體xx 含量偏低、AI-1（壓力）偏高、AI-1（壓力）偏低、AI-2（溫度）偏高、AI-2（溫度）偏低等。其中，報警項的具體參數設置可以在設置界面中進行配置。

圖6 報警界面

2.4 信息顯示界面設計

信息顯示界面（圖7）是給科技人員提供數值分析的界面，主要對應模擬輸入設置和數字輸出設置的功能。模擬輸入用于計算4～20 mA 模擬輸入范圍內的壓力值和溫度值。設定壓力值和溫度值，分別對應于4 mA和20 mA。

圖7 信息顯示界面

模擬輸入設置根據TDLS 8000 的狀態設置模擬輸出的過程測量值并保持輸出。從啟動TDLS 8000 的電源到第一次測量結果更新期間，模擬輸出值固定在4.0 mA，但如果將輸出保持設置為預熱狀態，則該值與該設定值一致。在3.8 mA 至20.5 mA 范圍內的測量值為輸出值（符合Namur NE 43 標準）。數字輸出設置是用于在TDLS 8000 進入以下特定狀態時打開數字輸出，數字輸出有DO-1 和DO-2 兩種情況。當預警、校準和驗證、維修、預熱任何一種特定狀態時，DO-1 打開。當發生故障時，DO-2 打開，此接點專門用于故障通知，不能禁用。

2.5 設置界面設計

設置界面包括設定標定功能和報警項參數表配置功能。設定標定功能可以將實時曲線與標準曲線進行對比，進行遠程維護，依次進行數據校準、驗證、循環檢查等操作。報警參數配置功能，通過在輸入框中輸入目標參數的標準值和預警觸發界限，確定報警項報警參數。

設定標定功能在TDLS 氣體分析儀原有校正功能的基礎上簡化操作，采用較為簡單的單向性操作模式，只在一個窗口就可以完成所有操作。以數據校正為例，先用一個零氣體和一個標準濃度的氣體對儀器進行標定，得到標準曲線。測定時，系統控制儀器將待測氣體濃度產生的光譜信號同標準濃度的光譜信號進行比較，計算得到準確的氣體濃度值，再對比這兩個數據進行數據校正。遠程維護界面進行氣體分析儀的設定標定，使用戶通過安卓設備即可對氣體分析儀進行標定和數據校正，無需再去現場查看設備信息進行矯正維護。

3 結語

針對工業車間嚴苛的生產環境，本文通過使用Android Studio 強大的UI 編輯器，結合JAVA 編程以及互聯網通信開發遠程監控安卓客戶端。該監控系統界面美觀、功能完善，操作簡便，同時克服了監控地點的限制，使用戶通過安卓設備即可查看在線氣體分析儀中的各項數據，無需再去現場檢查和操作，避免了現場危害氣體對工作人員的危害，提高了工作效率和工作人員滿意度。同時，該系統能夠應對不能現場查看數據等突發情況，對當下疫情常態化境況具有重要的社會價值。