實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理嵌入式手持終端設(shè)計(jì)*

孫中皋，雷瑩，王劍，王玉新，王軻毅，李龍

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院, 大連 116029)

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實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理嵌入式手持終端設(shè)計(jì)*

孫中皋，雷瑩，王劍，王玉新，王軻毅，李龍

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院, 大連 116029)

為解決實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息管理方式落后的問題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能設(shè)備管理手持終端。該終端以Samsung S5PV210嵌入式處理器為核心，主要由條形碼模塊、RFID模塊和WiFi模塊等功能模塊構(gòu)成；軟件上基于嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)了手持終端程序，使用Qt開發(fā)了基于C/S架構(gòu)的管理平臺。所設(shè)計(jì)的手持終端實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備信息的查詢、添加及修改等功能的可移動式數(shù)字化管理，使得管理工作更便捷有效，可廣泛應(yīng)用于高校、科研院所及其他設(shè)備管理場合中。

物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)備管理; Linux系統(tǒng)；Qt；Samsung S5PV210

引 言

隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣泛應(yīng)用及科學(xué)研究的廣泛開展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量和種類日益增加，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理工作更加繁瑣而重要，也對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的工作效率、設(shè)備查找的便捷性、設(shè)備信息更新的及時(shí)性及避免設(shè)備丟失等方面提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)的設(shè)備管理方法一般依賴于人工記錄，將設(shè)備信息進(jìn)行歸檔并錄入到計(jì)算機(jī)電子檔案中。這種方式不僅工作效率低,而且易出現(xiàn)差錯(cuò)，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)科研數(shù)字化信息建設(shè)的需求。

物聯(lián)網(wǎng)是一種通過傳感設(shè)備將世界上任何物品通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，使人與物、物與物之間能夠進(jìn)行無障礙的信息通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化的控制、查詢、定位、配置等功能的網(wǎng)絡(luò)[2]。物聯(lián)網(wǎng)為現(xiàn)代化的社會提供了嶄新的模式，有效降低了勞動成本，給人們的生活帶來諸多便利，已被正式列為我國五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一[3]。近年來，研究將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理，促進(jìn)校園數(shù)字信息化建設(shè)成為了一個(gè)熱點(diǎn)問題[4-6]。

本文以提高設(shè)備管理效率為目標(biāo)，主要研究如何運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的RFID技術(shù)、條形碼技術(shù)及WiFi技術(shù)來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化、便捷化管理。為此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款手持式實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理終端。該終端硬件以嵌入式處理器Samsung S5PV210作為控制核心，包括WiFi模塊、條形碼模塊、RFID模塊及觸摸屏模塊等外圍功能模塊?；趦?nèi)核3.0版本的Linux系統(tǒng)開發(fā)了終端的軟件，并采用Qt平臺開發(fā)了管理系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息的添加、修改、刪除、查找以及數(shù)據(jù)上傳等功能，滿足實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的數(shù)字化需求。

1 系統(tǒng)方案

嵌入式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理手持終端采用4層體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為硬件層、操作系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)層以及用戶層。其中，硬件層主要包括主控單元、感知單元、無線傳輸單元及顯示觸摸屏單元等功能模塊，操作系統(tǒng)層為3.0內(nèi)核的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)層為SQLite數(shù)據(jù)庫，用戶層為使用Qt編寫的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 硬件層

硬件層包括主控單元、感知單元、無線傳輸單元及顯示觸摸屏單元等功能模塊。其中，主控單元采用基于Cortex-A8的Samsung S5PV210處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心。感知單元由條碼掃描模塊和RFID射頻模塊組成。條形碼模塊用于采集設(shè)備上的條形碼標(biāo)簽，如果該設(shè)備未曾錄入，則完成設(shè)備的信息采集，如果該設(shè)備已錄入，則可實(shí)現(xiàn)對該設(shè)備的信息進(jìn)行查詢、修改及刪除等功能。RFID模塊用于以實(shí)驗(yàn)室房間號為標(biāo)識，為每個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立一張RFID卡，卡內(nèi)記錄該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存放所有設(shè)備的索引信息，為設(shè)備的查找、對賬及交接等管理工作提供可移動式的便利。無線傳輸單元采用WiFi技術(shù)，用于將設(shè)備信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到設(shè)備管理者的計(jì)算機(jī)上供他們?yōu)g覽和管理。顯示觸摸屏單元?jiǎng)t用于完成顯示和人機(jī)交互等功能。

1.2 操作系統(tǒng)層

操作系統(tǒng)使用3.0內(nèi)核的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux既繼承了Internet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。它具有良好的可移植性、可裁剪性,應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)周期短,且新產(chǎn)品上市迅速[7]。

1.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層使用SQLite數(shù)據(jù)庫,用來存放設(shè)備信息數(shù)據(jù)。SQLite是一款輕型的嵌入式數(shù)據(jù)庫，它占用的資源低，支持Windows/Linux/Unix等主流操作系統(tǒng),同時(shí)能夠跟很多程序語言結(jié)合。使用該簡單易用的數(shù)據(jù)庫使得系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行效率大大提高[8]。

1.4 用戶層

用戶層使用Qt軟件編寫。Qt是跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，具有優(yōu)良的跨平臺特性、良好的面向?qū)ο蠓庋b機(jī)制和豐富的API等優(yōu)點(diǎn)[9]。用戶層向用戶提供簡易和清晰的人機(jī)交互圖形接口，方便管理者對設(shè)備信息進(jìn)行各種操作。用戶層主要包括用戶登錄、密碼修改、系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)備添加、設(shè)備查詢、設(shè)備修改、RFID以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件以強(qiáng)大的Samsung S5PV210嵌入式微處理器作為控制核心，采用功能模塊化設(shè)計(jì)。S5PV210是基于Cortex-A8的嵌入式微處理器，運(yùn)行主頻為1 GHz，內(nèi)置PowerVR SGX540高性能圖形引擎，擁有豐富的外設(shè)資源。在Cortex-A8核心基礎(chǔ)上，硬件添加了條形碼掃描模塊、RFID射頻模塊、WiFi模塊和LCD觸摸顯示屏。另外，硬件系統(tǒng)使用5 V電源，配備了1 GB的Flash，并且為了以后更方便擴(kuò)展功能，預(yù)留了兩個(gè)USB接口。整個(gè)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 條形碼掃描模塊

條形碼掃描使用的是MCR12_TTL/KB掃描模塊。它是經(jīng)濟(jì)型CCD條形碼掃描模塊，高靈敏度的線性圖像傳感器配備每秒100次的掃描速度，讀取距離達(dá)230 mm并提供軟件編程功能。

條形碼掃描模塊使用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口和控制核心相連，串口波特率為9 200。實(shí)驗(yàn)室每個(gè)設(shè)備都擁有唯一標(biāo)識的條形碼，條形碼掃描模塊將掃描到的設(shè)備條形碼信息傳輸至控制核心。控制核心依據(jù)此信息與數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備信息進(jìn)行匹配，如果該設(shè)備信息已存在，則顯示其詳細(xì)信息供用戶瀏覽、修改及刪除等操作；如果該設(shè)備信息不存在，則提示用戶完成該設(shè)備的信息入庫工作。

2.2 RFID射頻模塊

RFID射頻模塊由STM8處理器和射頻卡讀寫芯片MFRC531搭建而成。RFID射頻模塊的功能是對射頻卡上存儲的信息進(jìn)行讀寫[10]，采用“按卡索引”的管理方式，為每個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立一張RFID卡，卡內(nèi)存儲該實(shí)驗(yàn)室的所有設(shè)備的索引信息?？刂坪诵耐ㄟ^RS232標(biāo)準(zhǔn)串口對射頻模塊進(jìn)行控制，并按照射頻卡上的索引信息完成對設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫的讀和寫工作[11]。

2.3 WiFi模塊

WiFi模塊由嵌入式WiFi模塊HF-A11x和主頻為72 MHz的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103微處理器構(gòu)成。

HF-A11x支持802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP/IP/UD)，支持UART/GPIO/以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信接口，具有較小的尺寸，適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。HF-A11x與STM32F103通過串口連接并引出TXD、RXD、VCC和GND四線接口與控制核心板連接。當(dāng)啟動WiFi模塊時(shí)，控制核心打開相應(yīng)的串口與WiFi模塊進(jìn)行通信；當(dāng)對管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送操作時(shí)，控制核心發(fā)送指令并通過WiFi模塊將設(shè)備信息數(shù)據(jù)發(fā)送出去[12]。

2.4 顯示/觸摸屏模塊

由于本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是可移動式終端，所以配備了一塊電阻式觸摸液晶顯示屏用于顯示和操作圖形界面管理系統(tǒng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

手持終端整體的軟件結(jié)構(gòu)采用客戶端/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，考慮到手持終端系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可移植性，軟件系統(tǒng)主體使用開源的3.0內(nèi)核的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)穩(wěn)定性好、方便移植，對各種外設(shè)也有完善的驅(qū)動支持，可以對本系統(tǒng)的條形碼、RFID及WiFi等外圍模塊提供良好的管理。數(shù)據(jù)層為SQLite數(shù)據(jù)庫，用戶層為基于Linux使用Qt編寫了手持終端的管理系統(tǒng)界面。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

感知層使用STM系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對WiFi和RFID的控制，系統(tǒng)軟件采用ComThread類操作串口與感知層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用C語言開發(fā)。WEB端分為：服務(wù)層、核心層和應(yīng)用層，主要用于接收手持終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.1 設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備管理系統(tǒng)管理著整個(gè)系統(tǒng)資源，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)、協(xié)議的處理以及人機(jī)交互等功能。本系統(tǒng)基于3.0內(nèi)核的嵌入式Linux操作系統(tǒng),使用Qt編寫了管理系統(tǒng)，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.1.1 登 錄

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，會啟動設(shè)備管理系統(tǒng)，在登錄界面輸入正確的用戶名和密碼后會進(jìn)入主界面，此時(shí)在主界面可以選擇設(shè)備信息查詢、添加、修改、RFID模塊、WiFi模塊和注銷登錄等相關(guān)功能。軟件流程如圖5所示。

3.1.2 設(shè)備信息查詢

本模塊功能是查詢設(shè)備信息，分為簡單查找和精確查找。簡單查找可以使用設(shè)備名稱或設(shè)備代號進(jìn)行單一屬性查找，精確查找則可以使用設(shè)備ID、設(shè)備名稱、設(shè)備所屬實(shí)驗(yàn)室、負(fù)責(zé)人、價(jià)格和入庫日期等設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行單條屬性或者多條組合屬性的精確查找，設(shè)備信息查詢流程如圖6所示。

圖5 登錄流程圖

圖6 設(shè)備信息查詢流程圖

3.1.3 設(shè)備信息添加

設(shè)備信息添加的主要功能是向數(shù)據(jù)庫添加新設(shè)備信息。開啟模塊后，啟動設(shè)備添加界面，系統(tǒng)自動補(bǔ)全新設(shè)備編號，同時(shí)打開串口并啟動條形碼掃描模塊。使用條形碼掃描模塊掃描設(shè)備的條形碼信息并完成自動錄入，也可以手動輸入條形碼信息，然后管理人員通過觸摸屏手動添加設(shè)備的其他信息便可將設(shè)備信息添加到數(shù)據(jù)庫中，設(shè)備信息添加流程如圖7所示。

圖7 設(shè)備信息添加流程圖

3.1.4 設(shè)備信息修改

本模塊的功能是完成對設(shè)備信息的修改。對于要修改的設(shè)備信息，可以通過兩種方式進(jìn)行查找：一種是采用條形碼掃描模塊掃描設(shè)備的唯一標(biāo)識碼，系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)識碼檢索設(shè)備信息并自動進(jìn)入設(shè)備信息修改界面；另一種是采用設(shè)備信息查詢模塊進(jìn)行查找，進(jìn)而選擇設(shè)備休息修改進(jìn)入修改界面。在設(shè)備信息修改界面，管理人員可以對設(shè)備各項(xiàng)信息進(jìn)行修改(設(shè)備ID除外)，如果想放棄修改則點(diǎn)擊取消，設(shè)備修改選項(xiàng)將會隱藏。當(dāng)信息確認(rèn)無誤后，點(diǎn)擊確定便會更新數(shù)據(jù)庫、保存設(shè)備信息，設(shè)備信息修改流程如圖8所示。

圖8 設(shè)備信息修改流程圖

3.1.5 RFID

當(dāng)啟動此模塊時(shí)，會打開與RFID射頻模塊相連的串口，并通過串口與射頻模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)RFID模塊檢測到射頻卡時(shí)，可以通過界面操作來使用射頻模塊對卡進(jìn)行讀和寫。射頻卡內(nèi)可以存儲實(shí)驗(yàn)室編號或設(shè)備編號信息,可以使用卡內(nèi)信息檢索數(shù)據(jù)庫，來查詢實(shí)驗(yàn)室設(shè)備或者對應(yīng)的單個(gè)設(shè)備信息[13]。

3.1.6 WiFi

本模塊主要作用是對WiFi模塊進(jìn)行相關(guān)配置，并啟動無線通信將所需發(fā)送的數(shù)據(jù)庫文件發(fā)送至WEB端或從WEB端下載數(shù)據(jù)庫文件[14]。

3.2 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是信息系統(tǒng)開發(fā)和建設(shè)中的核心技術(shù)和重要基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫把應(yīng)用中涉及到的大量數(shù)據(jù)按一定的模型組織起來，提供存儲、檢索和維護(hù)功能，使得信息系統(tǒng)可以方便地滿足用戶的應(yīng)用需求。

本設(shè)計(jì)使用輕量級SQLite數(shù)據(jù)庫，在本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程中，盡量保證數(shù)據(jù)一致性和完整性，盡量減少數(shù)據(jù)冗余及考慮數(shù)據(jù)查詢的高效性等設(shè)計(jì)原則。將設(shè)備設(shè)置為7條屬性，分別為設(shè)備的編號、名稱、狀態(tài)、地點(diǎn)、負(fù)責(zé)人、價(jià)格、購入時(shí)間以及條形碼信息。各項(xiàng)屬性數(shù)據(jù)都不能為空，其中設(shè)備編號為設(shè)備數(shù)據(jù)的主鍵，數(shù)據(jù)庫文件格式如表1所列。

表1 數(shù)據(jù)庫文件格式

4 系統(tǒng)應(yīng)用

使用本設(shè)計(jì)手持終端對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行管理測試。每臺實(shí)驗(yàn)室設(shè)備都貼有唯一標(biāo)識碼的資產(chǎn)標(biāo)簽，利用手持終端的條形碼掃描模塊并添加設(shè)備其他信息完成對設(shè)備信息的錄入；利用設(shè)備信息查詢,可對設(shè)備信息進(jìn)行簡單或精確查詢，如圖9所示。

圖9 設(shè)備信息查詢用戶界面

利用設(shè)備信息修改可完成對設(shè)備信息的修改工作，如圖10所示。

圖10 設(shè)備信息修改用戶界面

利用RFID制卡可為每臺設(shè)備建立一張唯一的RFID標(biāo)簽，也可依據(jù)實(shí)驗(yàn)室編號，為每個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立一張含有本實(shí)驗(yàn)室所有設(shè)備信息的RFID標(biāo)簽，發(fā)放給實(shí)驗(yàn)室責(zé)任人，便于對設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化管理；利用WiFi功能可將數(shù)據(jù)庫文件發(fā)送至WEB服務(wù)器端，供計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，并可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel表格中。

圖11 RFID制卡用戶界面

結(jié) 語

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孫中皋(講師)，主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Design of Embedded Handheld Terminal Apply to Laboratory Equipment Management

Sun Zhonggao,Lei Ying,Wang Jian,Wang Yuxin,Wang Keyi,Li Long

(School of Physics and Electronic Technology,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China)

In order to solve the problem of the laboratory equipment management,an embedded handheld terminal based on internet of things technology is designed.This terminal uses Samsung S5PV210 embedded processor as the core and consists of the barcode module,the RFID module and the WiFi module.The software is developed based on the embedded Linux operating system and the management platform based on the C/S architecture is developed by Qt.The terminal realizes the functions of query,addition and modification of equipment information in a mobile management manner which making the work of management more convenient and effective.The terminal can be widely used in universities,research institutes and other occasions of equipment management.

internet of things;equipment management;Linux system;Qt;Samsung S5PV210

遼寧師范大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：501058)。

TP393

A

?迪娜

2016-06-13)