冯保壮，龚元明

（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）

0 引言

随着物联网的发展，物联网云平台逐渐成为物联网技术开发的关键一环。由于大部分物联网云平台是结合Web 网页进行开发的、并运行于PC 端，因此开发一套能够直接应用于手机移动端的平台，将能给用户带来更大的便利。自微信平台推出微信小程序后，各主流的软件平台也都开发了专属的小程序。如今，小程序已被应用到各行各业，不仅具备了手机APP 的功能，而且还表现出所占内存小、不需要另外下载安装包等出色优点，这也给人们的使用带来极大的方便。

另据研究可知，液压抓斗的工作特点是连续性强、自动化水平高，结合数据采集和传输技术将状态信息及报警信息上传至云服务器。云服务器通过PC 端上位机软件对数据报文进行处理并存入数据库。微信小程序通过接口程序获取后台数据库信息，并显示在界面上。同时微信小程序还具有备件预约和服务咨询功能，还可与后台进行数据交互。该系统利用官方微信开发工具的MINA 框架开发前端微信小程序；利用SpringBoot 框架结合JPA 编写后端接口程序来操作数据库；利用.NET 框架编写服务器上位机软件，处理上传的报文数据，并在将其解析后存入SQL Server 数据库。

1 相关技术

1.1 Spring Boot 框架

Spring Boot框架是基于Spring4.0 的一个全新框架，能够简练开发过程，缩短开发周期，不仅其功能更加全面，性能上也更趋稳定。通过在项目目录pom 文件中添加依赖包的方式代替复杂的XML配置过程，再利用注解实现各种功能；在application文件中进行数据库地址、用户名、密码以及服务器端口配置；在发布部署时，直接打包为JAR 格式。如此一来，利用java -jar 项目名.jar 指令运行即可，不再需要在服务器上安装Tomact 环境。本文利用Spring Boot 框架编写微信小程序和数据库通信的接口文件，处理生成jar 包，运行在云服务器上，实现微信小程序对于数据库的增删改查功能。为了进一步简化程序，减少繁琐的SQL 语句编写，结合JPA 规范提供的API 接口，利用Hibernate 将Java 实体类对象与数据库表建立映射关系，通过操作实体类、进而操作数据库。在开发过程中，要符合实体类对象与数据库表格中字段的映射规则，保证两者命名相同。

1.2 MINA 框架

MINA 框架是微信开发者开发微信小程序所使用的框架，运行机制为“响应-绑定”，框架中包含微信小程序需要的API。MINA 框架主要包括视图层（View）和逻辑层（Service）。利用官方提供的WXML 和WXSS 语言进行视图层的程序编写，利用JavaScript 脚本语言进行逻辑层程序编写。WXML可利用各种组件搭建页面结构，采用flex 盒子布局的格式，使页面结构更加有条理。WXSS 主要用于描述WXML 的样式，使界面呈现效果更加贴合项目要求。JavaScript 用于逻辑功能的实现，以及与接口文件的数据交互。通过微信开发文档提供的wx.request 接口发送HTTPS 请求，接收json 格式的返回数据。此外，还用到了wx.downloadFile 和wx.uploadFile 接口，配合在服务器上搭建HTTP 网页服务，实现文件下载与上传功能。因为微信小程序在发布后只支持HTTPS 协议，所以在填写这些接口的开发者服务器地址（url）时，需要使用https 的地址。

2 系统设计与实现

系统整体架构如图1 所示。通过在液压抓斗终端设备上安装GPRS／4G 模块，实现入网功能，底层支持TCP／IP 协议，可以与服务器相连接，上传报文数据至服务器端口；上位机软件监听该端口，并根据通信协议对报文的每一位进行解析，将解析后的数据存入数据库。微信小程序发送获取数据的请求，接口文件收到请求后，根据请求要求操作数据库数据，并将数据返回给微信小程序，微信消息程序对这些数据进行加载并显示出来。

图1 系统整体架构Fig.1 Overall architecture diagram of the system

2.1 上位机软件设计

服务器端软件采用C＃开发的Windows 窗体应用程序，其主要功能是接收终端设备上传的数据包，并根据自定义的数据包协议对数据包进行解析，并存入数据库中。程序运行后，首先在IP 地址和端口输入框中输入本机IP 和软件使用端口，点击启动服务按钮；根据输入的IP 和端口创建网络节点对象，并创建服务器对象；配置服务端与客户端建立连接时的处理函数、客户端断开连接时的处理函数，以及接收到客户端数据时的处理函数等，最后开启服务。

当有现场终端建立连接时，存储该终端的信息，以便于微信小程序查询现场终端信息，为数据查询显示做准备。当接收到现场设备的监测数据时，将数据格式进行解析，并从数据库中查询是否存在相应ID 的数据。若未查询到，则将新数据插入到数据库，否则选择更新对应数据。上位机软件操作及程序运行流程如图2 所示。

图2 操作及程序流程图Fig.2 Flow chart of operations and the procedure

2.2 数据库设计

MySQL 数据库是一款小型数据库，具有运行速度快、维护成本低，以及代码开源等特点。在设计数据库表格时，尽量减少数据表的数量，减少关联查询。数据库主要存放用户注册信息、错误记录信息、设备数据表等，此外还需另行设计一张关联表格，用于不同公司查询不同的设备。其中，错误记录表主要记录设备发生故障时上传的报警信息；设备数据表中存储设备实时上传的各种传感器数据，每接收一条新的数据，就会覆盖先前存储的数据。所以在查询数据表时，每次获取的都是最新数据。设备数据表结构见表1。

表1 设备数据表结构Tab.1 Devices data table structure

用户注册表（tbRegister）中主要存放用户注册微信小程序时填写的注册信息，以及微信的资料信息，见表2。表2 中，为确定微信用户的唯一标识。通过该字段存储的信息区别用户，判断用户是否注册过，防止重复注册，在获取时需要用户授权才能发送到数据库中。

表2 用户注册表结构Tab.2 Users registry structure

2.3 小程序设计

微信小程序作为与用户交互的界面不仅要实现各种功能，同时需要良好的界面设计，方便用户操作。针对项目要求，主要设计了我的设备、备件预约、服务咨询以及智能设备四个版块。其中，智能设备界面用于显示智能设备的数据信息，对应数据库中tbSHP 表格。在注册小程序填写信息时，会将注册的公司名称存入缓存中，每次点击智能设备时会向服务器发送公司名称，对数据库表格进行关联查询，最终获取公司所包含的设备信息。用户成功登录后，自动跳转至设备信息显示界面，界面中包括设备ID、制造号、型号、状态、量程和自重等。用户可以观察到各个设备的使用状况，从而选择所要测试的设备。

用户选择设备详细信息后，则跳转至实时数据显示界面，显示现场终端设备的测试数据、并实时更新。设备详细信息如图3 所示。当现场终端设备测得的数据超出设置临界值时（如超重、回油压力过大、液压油温过高、电机温度过高等），则视为出现故障。

图3 设备详细信息Fig.3 Devices details

3 系统测试

在完成整个系统的设计开发工作后，对各功能实现进行测试。首先搭建测试环境，设备终端将采集的3 台设备的数据发送至服务器，使用电脑登录服务器后打开上位机软件显示数据接收和解析情况，微信小程序发布后使用手机注册登录、打开设备详细信息界面。观察对比并记录设备终端、服务器、微信小程序的数据显示情况，当现场设备的传输速率大于每帧500 ms 时，微信小程序和设备终端显示单元的数据完全一致，没有数据遗漏现象，也没有明显网络延迟；当传输速率在每帧300 ms 至每帧500 ms时，微信小程序会有部分数据遗漏，正确显示的数据比重在80%～90%之间；当传输速率在每帧200 ms 至每帧300 ms 时，正确显示的数据所占比重为50%以上。对于液压抓斗设备来讲，每帧500 ms的数据发送间隔完全可以满足数据监测功能的要求。

通过反复测试，结果证明该物联云平台的设计实现了最初的设计目标。设备终端显示控制单元、云端服务器程序以及微信小程序实时数据监测对比如图4 所示。

图4 监测对比图Fig.4 Monitoring comparison diagram

4 结束语

本次开发设计的远程监测系统，实现了远程数据查询、远程抓斗状态报警的功能，助力垃圾填料设备在物联网时代的应用和拓展。该系统可实现抓斗状态全面监测，随时掌控抓斗工作历史装货量、抓斗实时工作状态以及抓斗液压系统状态参数。微信小程序移动客户端可进行全天候在线监测，同时支持多设备同时在线监测。一旦抓斗出现故障可以及时发现抓斗故障所在，减少故障处理时间，提高垃圾处理运行效率。该系统可实现近程无线遥控，也改善了现场观察和控制技术人员的工作环境，使得垃圾处理更加智能、高效。