基于Modbus/TCP協(xié)議自動(dòng)檔案庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著信息化建設(shè)的不斷深入，如何將電子檔案利用與紙質(zhì)檔案管理結(jié)合起來，大幅度降低檔案維護(hù)成本，提高檔案管理效率，成為目前迫切需要解決的問題。本文針對(duì)以上問題，提出了自動(dòng)檔案庫系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)分為應(yīng)用管理層、檔案柜管理層和檔案柜控制層，檔案柜管理層和檔案柜控制層采用Modbus/TCP傳輸控制協(xié)議。為了解決人工歸還和借閱檔案時(shí)放錯(cuò)位置的問題，設(shè)計(jì)檔案自動(dòng)盤庫功能；為了解決不同檔案柜硬件設(shè)備之間的差別，提出了檔案管理層接口規(guī)范，不同硬件設(shè)備按照規(guī)范編寫組件，實(shí)現(xiàn)檔案柜管理層程序與底層硬件設(shè)備無關(guān)性。實(shí)際使用表明，基于Modbus/TCP協(xié)議自動(dòng)檔案庫系統(tǒng)可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)電子檔案系統(tǒng)與紙載檔案管理的無縫結(jié)合，在大幅度提高檔案的管理效率和檔案管理自動(dòng)化水平的同時(shí)，降低了檔案管理費(fèi)用和檔案管理人員的工作量。

關(guān)鍵詞：檔案庫系統(tǒng)；Modbus/TCP；自動(dòng)識(shí)別；COM

中圖分類號(hào)：TP31

隨著信息化建設(shè)的不斷深入，各單位已經(jīng)全面的使用電子檔案系統(tǒng)，電子檔案具有傳遞便捷、資源共享、查閱方便等多種好處，不過由于紙質(zhì)檔案的形成必須要經(jīng)過人工操作，對(duì)原文件的任何篡改都會(huì)留下痕跡，所以紙質(zhì)檔案在法律上的可信度很高，能夠起到原始憑證的作用。因此在實(shí)際工作中電子檔案并不能完全替代紙質(zhì)檔案，很多情況下還是需要用到紙質(zhì)檔案。如何將電子檔案利用與紙質(zhì)檔案管理結(jié)合起來，大幅度降低檔案維護(hù)成本，提搞檔案管理效率，成為目前迫切需要解決的問題。

本文針對(duì)以上問題，提出了自動(dòng)檔案庫系統(tǒng)的解決方案。自動(dòng)檔案庫由多層檔案柜、通信模塊和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)檔案的自動(dòng)借閱和歸還，是綜合了信息自動(dòng)化、存儲(chǔ)和自動(dòng)識(shí)別技術(shù)于一身的立體集成化系統(tǒng)。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目標(biāo)是為了減少檔案管理人員的工作量，對(duì)檔案管理的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，進(jìn)而規(guī)范檔案業(yè)務(wù)操作，提升檔案管理的自動(dòng)化水平，大大提高工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)分為三層：應(yīng)用管理層、檔案柜管理層和檔案柜控制層。應(yīng)用管理層與檔案柜管理層通過TCP協(xié)議進(jìn)行通信，檔案柜管理層與檔案柜控制層通過Modbus/TCP進(jìn)行通信，如圖1所示。

應(yīng)用管理層為檔案管理系統(tǒng)，它構(gòu)件了完整的檔案資源信息共享服務(wù)平臺(tái)，支持檔案管理全過程的信息化處理，主要包括以下功能：檔案接收、檔案移交、檔案查詢、檔案統(tǒng)計(jì)、檔案借閱、檔案歸還、檔案數(shù)據(jù)維護(hù)、檔案借閱記錄管理、檔案發(fā)送記錄管理、報(bào)表打印輸出、數(shù)據(jù)庫管理等。

檔案柜管理層對(duì)檔案柜控制層的集中管理，包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：把應(yīng)用管理層發(fā)來的指令轉(zhuǎn)化為對(duì)檔案柜控制層的指令，定時(shí)讀取檔案柜控制層的消息，并轉(zhuǎn)為系統(tǒng)事件通知應(yīng)用管理層進(jìn)行相應(yīng)。

檔案柜控制層根據(jù)檔案柜管理的指令，控制檔案柜的走層、檔案的存取、檔案盤庫等操作，實(shí)時(shí)根據(jù)傳感器改變狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 基于Modbus/TCP的傳輸控制協(xié)議

Modbus是一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，用于實(shí)現(xiàn)不同類型的網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備之間的客戶機(jī)服務(wù)器之間的通信。Modbus/TCP協(xié)議一種的開放的通信協(xié)議，用戶可以根據(jù)需要靈活進(jìn)行擴(kuò)展。[1]它支持C/S模式，將應(yīng)用層的Modbus消息封裝成IP包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。[2]

Modbus/TCP是采用C/S模式來進(jìn)行報(bào)文傳輸，此模式基于4種類型報(bào)文，即請(qǐng)求（Modbus Request）、指示（Modbus Confirmation）、響應(yīng)（Modbus Indication）和證實(shí)（Modbus Response），如圖2所示。請(qǐng)求是客戶端發(fā)送給服務(wù)器用來啟動(dòng)報(bào)文，指示是服務(wù)端接收的請(qǐng)求報(bào)文對(duì)客戶端的反饋，響應(yīng)是服務(wù)器針對(duì)客戶端的請(qǐng)求發(fā)送的具體響應(yīng)，證實(shí)是在客戶端接收的響應(yīng)信息時(shí)給服務(wù)器的反饋。[3]

圖2 Modbus/TCP報(bào)文傳輸

協(xié)議檔案柜管理層由運(yùn)行在PC機(jī)上檔案柜管理程序構(gòu)成，檔案柜控制層由觸摸屏（TPC）和控制電機(jī)和傳感器的可編程邏輯器件（PLC）構(gòu)成。協(xié)議檔案柜管理層通過網(wǎng)絡(luò)的Modbus/TCP協(xié)議，對(duì)各個(gè)觸摸屏（TPC）和可編程邏輯器件PLC的位變量、整型變量等的讀寫實(shí)現(xiàn)對(duì)檔案柜的遠(yuǎn)程測(cè)控，如圖3所示。

圖3 協(xié)議檔案柜管理層構(gòu)成圖

3 檔案自動(dòng)識(shí)別

目前成熟的檔案識(shí)別方法有條碼識(shí)別法[4]、RF識(shí)別法[5]。條碼識(shí)別法是在把打印好的條形碼粘貼到檔案盒上，把條形碼作為識(shí)別檔案的唯一標(biāo)示；RF識(shí)別法則是通過粘貼在檔案盒上的電子標(biāo)簽來識(shí)別檔案的。兩種識(shí)別方法特點(diǎn)不一，接下來對(duì)這兩種方法進(jìn)行具體討論。

使用條碼管理檔案，做法是為每個(gè)檔案盒編配唯一的條碼，條碼中包含特定規(guī)則的位置信息，然后將條碼貼到檔案盒外面的背脊上。一旦檔案盒中有檔案存入時(shí)，條碼、檔案盒和檔案就建立起了唯一的映射關(guān)系。將這種對(duì)應(yīng)關(guān)系信息錄入到計(jì)算機(jī)上的檔案管理系統(tǒng)中，為每一份檔案建立一條記錄，保存這份檔案對(duì)應(yīng)的條碼、在檔案柜中的位置、是否在柜等信息，這樣就打好了檔案識(shí)別的基礎(chǔ)。檔案首次入庫時(shí)，條碼與檔案的映射關(guān)系建立，數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生相關(guān)記錄。當(dāng)需要借閱或者歸還檔案時(shí)，檔案識(shí)別系統(tǒng)就可以通過條碼定位檔案盒，找到了檔案盒就相當(dāng)于找到了目標(biāo)檔案。

射頻識(shí)別系統(tǒng)由電子標(biāo)簽和閱讀器兩部分組成。在檔案識(shí)別系統(tǒng)中通常的做法是把閱讀器安裝在檔案柜中，把電子標(biāo)簽粘貼到檔案盒上。電子標(biāo)簽中保存的數(shù)據(jù)通過特定的編碼存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中，閱讀器可以非接觸的讀取電子數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作過程分為能力供給和信號(hào)識(shí)別兩個(gè)部分。其中能力供給指的是電子標(biāo)簽對(duì)電子標(biāo)簽閱讀器發(fā)出的微波查詢信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流；信號(hào)識(shí)別指的是微波查詢信號(hào)經(jīng)過電子標(biāo)簽內(nèi)部的電路處理之后，攜帶了電子標(biāo)簽內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，利用電子標(biāo)簽自帶的微型天線返回到閱讀器中。經(jīng)過能力供給和信號(hào)識(shí)別兩個(gè)過程，閱讀器就可以拿到電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)檔案識(shí)別。以下針對(duì)條碼識(shí)別法、RF識(shí)別法分別比較兩者優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 條碼識(shí)別法、RF識(shí)別法優(yōu)缺點(diǎn)比較

條碼識(shí)別法RF識(shí)別法

掃描速度掃描槍一次只能掃描一個(gè)條碼RFID閱讀器可同時(shí)辨識(shí)讀取多個(gè)RFID標(biāo)簽

抗污染能力和耐久性條形碼采用紙張打印，抗污染能力和耐久性差RFID一般采用塑料材質(zhì)封裝，具有很強(qiáng)的耐污性和耐久性

穿透性和無屏障閱讀在沒有阻擋和近距離的情況下，條碼才能被識(shí)別RFID通信具有一定的穿透性，除金屬材質(zhì)外一般材質(zhì)都能穿透

成本條碼和條碼掃描槍成本很低RFID標(biāo)簽和RFID閱讀器成本較高

針對(duì)條碼識(shí)別法、RF識(shí)別法的特點(diǎn)，各單位可以根據(jù)需求選用不同的方案。條碼識(shí)別法和RF識(shí)別法在系統(tǒng)中識(shí)別和傳輸過程中，由于條碼被污染和斜放等情況，RF識(shí)別法信道中有噪聲干擾和標(biāo)示有重疊的情況，引起數(shù)字信號(hào)波形的失真導(dǎo)致錯(cuò)誤，針對(duì)錯(cuò)碼的問題，通過兩種策略來處理。一種方法是在檔案標(biāo)識(shí)上設(shè)置冗余的信息位，在一定錯(cuò)誤率的情況下可以通過算法推算出錯(cuò)誤的信息，常用算法有循環(huán)冗余CRC校驗(yàn)；另外一種是設(shè)置校驗(yàn)位，通過校驗(yàn)位來驗(yàn)證發(fā)送的信息，驗(yàn)證不通過的情況下讓接收方請(qǐng)求重傳，常用算法有奇偶校驗(yàn)、漢明校驗(yàn)。因?yàn)闄n案柜在掃描槍掃描過程中一般都是一次掃描，所以我們一般采用糾錯(cuò)碼的策略來解決誤碼的問題。

5 檔案自動(dòng)盤庫

為了解決人工歸還和借閱檔案時(shí)放錯(cuò)位置的問題，設(shè)計(jì)檔案自動(dòng)盤庫功能，通過該功能可以對(duì)整個(gè)檔案柜的檔案進(jìn)行批量整理并與檔案信息系統(tǒng)中存放的檔案存放信息進(jìn)行核對(duì)修改。

自動(dòng)盤庫操作流程如下所示：（1）執(zhí)行檔案柜走層操作，準(zhǔn)確走到確定層；（2）啟動(dòng)盤庫掃描槍從左到右運(yùn)動(dòng)掃描整個(gè)層中的檔案，一層掃描完成后，盤庫掃描槍從右到左運(yùn)動(dòng)回到起始點(diǎn)再執(zhí)行走層動(dòng)作，直到掃描完畢，經(jīng)過掃描得到的柜號(hào)、層號(hào)、檔案標(biāo)識(shí)通過Modbus/TCP協(xié)議傳給檔案柜控制層，檔案柜控制層通知應(yīng)用層程序，對(duì)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；（3）檔案柜向上走一層，繼續(xù)流程2，直到完成所有層的掃描，自動(dòng)盤庫完成。

在進(jìn)行盤庫操作時(shí)，檔案柜控制層把盤庫掃描槍掃描到一個(gè)檔案標(biāo)識(shí)就會(huì)將柜號(hào)、層號(hào)、檔案標(biāo)識(shí)發(fā)送給檔案柜管理層，檔案柜管理層觸發(fā)應(yīng)用層程序的事件，應(yīng)用程序處理相應(yīng)事件顯示差異信息，用戶根據(jù)差異信息選擇進(jìn)行更新檔案存取信息和借閱情況。

5 檔案管理層接口規(guī)范

不同廠商采用的硬件類型一般是不同的，同一廠商的不同型號(hào)的設(shè)備通常也有所區(qū)別，傳統(tǒng)的檔案管理軟件基本都是針對(duì)某一款特定的檔案柜設(shè)計(jì)的，所以不具有通用性。硬件上一些小改動(dòng)或升級(jí)就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)用程序的大范圍改動(dòng)甚至重寫。傳統(tǒng)的檔案管理程序與設(shè)備是一一對(duì)應(yīng)的，每一種設(shè)備都需要開發(fā)專用的管理程序和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)。傳統(tǒng)檔案管理層的開發(fā)示意圖如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)檔案管理層的開發(fā)示意圖

在實(shí)際的大型檔案管理系統(tǒng)中，檔案柜類型往往不止一種，同種類型的檔案柜每隔一段時(shí)間也會(huì)進(jìn)行硬件升級(jí)，在這種情況下，檔案管理層的接口如果仍然按照傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，必然會(huì)帶來很多問題，在很大程度上增加系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的成本。在本文的檔案柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，檔案柜管理層為了實(shí)現(xiàn)與底層硬件設(shè)備的無關(guān)性，需要硬件設(shè)備已經(jīng)統(tǒng)一的基于COM組件，不同硬件設(shè)備指需要按照統(tǒng)一COM編寫自己組件，就可以實(shí)現(xiàn)協(xié)議檔案柜管理層對(duì)檔案柜控制層的操作，如圖5所示。

圖5 基于COM組件的檔案層接口規(guī)范

6 結(jié)束語

通過對(duì)自動(dòng)檔案庫系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為應(yīng)用管理層、檔案柜管理層和檔案柜控制層。應(yīng)用管理層與檔案柜管理層通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，檔案柜管理層與檔案柜控制層通過Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行通信，針對(duì)人工歸還和借閱檔案時(shí)放錯(cuò)位置的問題，專門設(shè)計(jì)檔案自動(dòng)盤庫功能，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)檔案柜管理層與底層硬件設(shè)備的無關(guān)性，制定了檔案管理層接口規(guī)范。實(shí)際使用表明：基于Modbus/TCP協(xié)議自動(dòng)檔案庫系統(tǒng)可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)電子檔案系統(tǒng)與紙載檔案管理的無縫結(jié)合，在大幅度提高檔案的管理效率和檔案管理自動(dòng)化水平的同時(shí)，降低了檔案管理費(fèi)用和檔案管理人員的工作量，充分提高工作效率。

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作者簡(jiǎn)介：李冰鵬（1983.03-），男，碩士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾畔⒖茖W(xué)和軟件工程；陳浩（1987.04-），男，碩士，助教，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾畔⒖茖W(xué)和軟件工程。

作者單位：南京政治學(xué)院 上海分院，上海 200433