基于安卓的在线气体分析仪远程监控系统设计

张玉娇，谢文兰，刘玉航

（中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，青岛 266580）

0 引言

在工业生产中，气体分析仪可以运行在腐蚀性、刺激性、高粉尘浓度等多种严苛工艺环境中，检测生产现场中氧气浓度、透光率、环境温度、压力等参数。为保障生产安全，设计一种针对激光气体分析仪的远程监控系统，使得对工业现场的远程监控和指令控制不受时空限制。

现有远程监控系统可大致分为两大类，第一类是以DCS 分布式控制系统为核心的远程监控系统，一般面向大型工厂的监控系统使用；第二类是以PLC 为控制核心的远程监控系统，一般面向中小型系统使用。这两类监控系统都适用于多台监控设备的系统，例如，陈智国以PLC 为控制核心，通过Modbus 协议与现场的空压机等设备进行通信，将数据通过工业以太网转发至上位机监控电脑。与此类似，郑鹏的监控系统同样以PLC 为核心，使用了MPI 协议实现数据通信。关于远程监控系统所使用的通信技术，主要有蓝牙、ZigBee 等短距离通信技术，和窄带物联网（NB-IoT）、长距离无线传输技术（LoRa）等具备广覆盖特性的技术。例如，苏世雄等利用无线传感器网络技术，设计了基于Zigbee 的远程监控系统，该系统具有组网便捷、低功耗等特点。程力等也使用ZigBee技术组建无线网络，采集大棚内参数数据和图像数据，通过GPRS无线传输至后台监控设备进行处理分析。而孙洁等则利用NB-IoT 技术设计了远程粮情监控系统，实现对较广范围粮仓环境参数的实时监测与控制，李彦吉等使用CAN现场总线和CANOPEN协议，运用了扩频原理的长距离无线传输技术，通过访问浏览器访问客户端，实现牵引变电所室内气体含量和积水情况的远程监测。林飞设计了一种基于LIN总线的采煤机远程监控系统，使用SCI/UART 协议，使得数据传输距离较远，系统运行稳定可靠。王琛琛等开发的远程监控系统结合了计算机技术、工业以太网技术、现场总线技术、信息技术、组态技术和智能控制技术，保障装置自动稳定运行和远程监控实时高效。关于远程监控系统的网络结构模式有两种，B/S 模式和C/S 模式。B/S 即Browser/Server（浏览器/服务器）结构，客户端采用浏览器运行即可。例如，李锦华等使用了B/S 模式下的远程监控技术，结合了浏览器和服务器的功能，管理人员可通过任意一部能上网的设备访问浏览器进行管理。吴双玉等也设计了一种基于B/S的远程监控系统，利 用Modbus、FOCAS、OPC UA、A2 和LSV-2 等技术采集工业现场温湿度的数据等。C/S 又称Client/Server 或客户/服务器模式，客户端需要安装专用的客户端软件。例如丁涛等通过API Cloud 移动应用开发平台，在云端进行编译，采用HTMLICSS 和Java Script 等Web 技术进行编码，设计开发了安卓APP 监控端。刘文娟利用C#开发数据的可视化面板，设计了基于安卓的工业化气体浓度远程监控系统，该系统实现了车间气体参数的远程监控，具有很好的兼容性。汤春球等通过Qt 平台设计监控系统手机APP，实现手机用户对车间设备的远程监控和指令控制。也可以使用两种网络结构模式，使两种模式优势互补，骆东松等开发了Win Form 窗体应用软件和基于ASP.NET 的远程监控网站，利用互联网将温室参数实时传输给远程数据库服务器。刘丽静等利用电控系统的PLC、4G 全网通网络和云平台，远程监控终端通过网页或者APP 客户端实现用户与系统之间的通信和交互。

综上所述，目前工业现场常规的方式是传输数据到企业中控室的DCS 或PLC 系统上，其数据仅供中控室操作人员监视使用，并且面向多台气体分析仪使用。在现有疫情的基础下，隔离、居家办公成为疫情防控应对常态，常规监控方式不能满足疫情防控要求。而由于气体分析在工业生产方面的重要性，本系统面向一台TDLS 激光气体分析仪，使用JAVA 语言在Android Studio 平台开发APP，设计基于安卓的在线气体分析仪远程监控系统，通过Modbus 协议实现与生产现场的气体分析仪进行远程数据通信。操作人员通过在安卓系统上安装该APP，可以在平板或手机上直接观看、分析和管理生产现场的气体浓度含量等信息。该远程监控系统不仅能够响应疫情防控要求，随时随地线上办公，还能提高工作效率。

1 监控系统总体设计

1.1 TSLD激光气体分析仪

横河TDLS 8000 波长可变半导体激光光谱仪，即TDLS 激光气体分析仪，将行业内气体分析仪的所有特点集中到了一台坚固的设备中。其可用于现场测量O、CO、CH、NH、HO 及更多种其它NIR 吸收气体，不需要样品取出和样品处理。由于TDLS 激光气体分析仪可用于多种应用中，使得使用和维护更加方便。

1.2 系统通信设计

移动终端和气体分析仪之间的数据通信，是远程监控系统的基础。目前TDLS 气体分析仪本身支持HART 和Modbus TCP 两种通信协议。对于HART 协议，它是可寻址远程传感器高速通道幵放协议，最初由美国罗斯蒙特推出，经过多年的应用，目前己经成为一项国际标准。如果采用HART 协议，由于安卓设备不直接支持HART通信协议，需要考虑通过HART协议转换为蓝牙、TCP 等协议，实现通信接口转换。如果采用Modbus TCP 通信协议，则不需要协议转换器，直接将气体分析仪连接有线网络或者加装无线WiFi 模块，即可建立数据链接。在本文中，采用Modbus TCP 协议实现在线分析仪远程监控系统与在线分析仪的数据通信。在安卓开发环境下，利用jmod 开发包实现与在线气体分析仪的Modbus TCP 通信，从而实现气体含量的数据通信，其通信结构框图如图1所示。

图1 通信结构框图

1.3 系统模块组成

基于安卓的在线气体分析仪远程监控系统通过Modbus TCP 协议，以气体分析仪作为上位机，安卓客户端作为移动终端实现对在线气体分析仪的数据传输功能。该远程监控系统能实现对在线气体分析仪的数据采集、数据显示、数据分析、参数配置等功能，对工业现场的气体进行实时远程监控，具有功能强大、监控距离远、便捷等优势。该系统由数据通信组网模块、气体曲线分析模块、报警模块、信息显示模块和设定标定模块组成，如图2所示。

图2 监控系统模块组成

2 安卓客户端界面设计

安卓客户端界面的设计采用树状界面结构。客户端界面包括:主界面、曲线显示、报警、信息显示以及设置界面。客户端界面底部设有导航栏的控件，用户可通过触摸不同的图案进入不同的界面。客户端操作流程如图3所示。

图3 客户端操作流程

2.1 主界面设计

主界面的设计用来实现当前气体的实时监测，通过添加控件，实现了通过仪表盘的方式进行气体数据的实时显示，仪表盘的制作使用Canvas 绘制仪表刻度盘，通过填充数据实现动态显示当前气体的浓度值的数值，表盘指针根据数值的变化而变化。如图4所示，主界面中显示的具体数据包括气体类型及其含量、透光率、环境温度、气压。

图4 主界面

2.2 曲线界面设计

曲线界面通过绘制二维坐标系，描绘目标气体对激光光源的吸收峰值，以此判断气体的成分及其含量，进而显示气体参数的变化趋势，给用户提供更加直观的显示方式。如图5 所示，曲线界面中可显示某气体氧含量及其透光率、温度、压力的二维曲线图，各数据与主界面中的数据一一对应。曲线界面的坐标系共用一个时间横轴，数据更新时间间隔为一分钟；纵坐标的设置根据测量目标量程范围的不同而自适应，从而做到界面的美观、协调。

图5 曲线显示界面

2.3 报警界面设计

报警界面可以根据自动识别实时数据所表示的危险程度，做出相应的报警，给予合理措施。根据TDLS 气体分析仪的参数配置，先大体分析出气体异常方向。例如，当TDLS 气体分析仪报警序号为6 时，表示气体1 浓度偏高。此时系统以弹窗的形式弹出异常警报，不断在系统右上角指示灯的位置闪烁红灯发出警报，并调取该气体具体数据进行分析，形成报告后在报警界面以表格的形式呈现给用户。

如图6所示，表格中针对每条数据按照各个气体的标准浓度分析出不同的危险程度，以超出设定值百分比的形式显示报警值。例如，当氧含量出现异常偏高时，系统自动获取异常时间点，通过分析给出报警内容“氧含量偏高”，同时给出具体的报警值，以便于用户结合情况做出具体的应对措施。本系统的报警项主要有温度偏高、温度偏低、压力偏高、压力偏低、透光率偏高、透光率偏低、气体xx 含量偏高、气体xx 含量偏低、AI-1（压力）偏高、AI-1（压力）偏低、AI-2（温度）偏高、AI-2（温度）偏低等。其中，报警项的具体参数设置可以在设置界面中进行配置。

图6 报警界面

2.4 信息显示界面设计

信息显示界面（图7）是给科技人员提供数值分析的界面，主要对应模拟输入设置和数字输出设置的功能。模拟输入用于计算4～20 mA 模拟输入范围内的压力值和温度值。设定压力值和温度值，分别对应于4 mA和20 mA。

图7 信息显示界面

模拟输入设置根据TDLS 8000 的状态设置模拟输出的过程测量值并保持输出。从启动TDLS 8000 的电源到第一次测量结果更新期间，模拟输出值固定在4.0 mA，但如果将输出保持设置为预热状态，则该值与该设定值一致。在3.8 mA 至20.5 mA 范围内的测量值为输出值（符合Namur NE 43 标准）。数字输出设置是用于在TDLS 8000 进入以下特定状态时打开数字输出，数字输出有DO-1 和DO-2 两种情况。当预警、校准和验证、维修、预热任何一种特定状态时，DO-1 打开。当发生故障时，DO-2 打开，此接点专门用于故障通知，不能禁用。

2.5 设置界面设计

设置界面包括设定标定功能和报警项参数表配置功能。设定标定功能可以将实时曲线与标准曲线进行对比，进行远程维护，依次进行数据校准、验证、循环检查等操作。报警参数配置功能，通过在输入框中输入目标参数的标准值和预警触发界限，确定报警项报警参数。

设定标定功能在TDLS 气体分析仪原有校正功能的基础上简化操作，采用较为简单的单向性操作模式，只在一个窗口就可以完成所有操作。以数据校正为例，先用一个零气体和一个标准浓度的气体对仪器进行标定，得到标准曲线。测定时，系统控制仪器将待测气体浓度产生的光谱信号同标准浓度的光谱信号进行比较，计算得到准确的气体浓度值，再对比这两个数据进行数据校正。远程维护界面进行气体分析仪的设定标定，使用户通过安卓设备即可对气体分析仪进行标定和数据校正，无需再去现场查看设备信息进行矫正维护。

3 结语

针对工业车间严苛的生产环境，本文通过使用Android Studio 强大的UI 编辑器，结合JAVA 编程以及互联网通信开发远程监控安卓客户端。该监控系统界面美观、功能完善，操作简便，同时克服了监控地点的限制，使用户通过安卓设备即可查看在线气体分析仪中的各项数据，无需再去现场检查和操作，避免了现场危害气体对工作人员的危害，提高了工作效率和工作人员满意度。同时，该系统能够应对不能现场查看数据等突发情况，对当下疫情常态化境况具有重要的社会价值。