基于新型軟件架構(gòu)的NFC管理系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

周 楊，李 燕，李范鳴

(1.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所,上海 200083；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.中國科學(xué)院 紅外探測器與成像技術(shù)重點實驗室,上海 200083)

0 引 言

目前，隨著NFC系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)的讀寫器的部署規(guī)模也越來越大，相應(yīng)地對這些讀寫器的管理問題也日益嚴(yán)重。目前管理NFC讀寫器的方法主要有兩種：一種是人工手動管理，例如食堂收費系統(tǒng)等。這種管理方式人力成本過高，當(dāng)系統(tǒng)的規(guī)模擴(kuò)大時，這種弊端隨之加重。另一種是通過局域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)進(jìn)行分布式集中管理，由客戶端對分布式的NFC讀寫器進(jìn)行參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的采集。這種方式使得用戶可以隨時隨地登錄服務(wù)器的網(wǎng)址，同時對大量NFC讀寫器進(jìn)行監(jiān)控，這是將來對NFC讀寫系統(tǒng)進(jìn)行管理的主流趨勢。

傳統(tǒng)的軟件架構(gòu)技術(shù)的實現(xiàn)方式主要分為MFC/C++.SQL SERVER.MYSQL,HTML+CSS+JS/php.java.net和Qt/Qt.C++三種[1]。MFC/C++.SQL SERVER.MYSQL實現(xiàn)的架構(gòu)方案前后端的耦合度過高且語法復(fù)雜，沒有跨平臺特性；HTML+CSS+JS/php.java.net實現(xiàn)的架構(gòu)方案雖然降低了前后端的耦合度，但是前端設(shè)計語法過于復(fù)雜，且后端沒有跨平臺特性；Qt/Qt.C++實現(xiàn)的架構(gòu)方案雖然具有跨平臺特性，但是前端設(shè)計語法復(fù)雜且前后端耦合度過高[2]。

針對上述問題，文中采用基于QML/Qt.C++的軟件架構(gòu)和MVC設(shè)計模式。其中，QML(Qt元語言)的引入，降低了前端設(shè)計技術(shù)的復(fù)雜度；前后端分離的MVC設(shè)計模式，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性[3]。

1 技術(shù)架構(gòu)

1.1 MVC設(shè)計模式

MVC即模型(model)-視圖(view)-控制器(controller)，是軟件架構(gòu)技術(shù)中常用的設(shè)計模式，這種設(shè)計模式將前端顯示和后端數(shù)據(jù)處理分離，從而使得軟件架構(gòu)邏輯清晰，增強(qiáng)了軟件產(chǎn)品的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性[4]。其中，模型是“數(shù)據(jù)模型”的簡稱，是用戶在磁盤上或內(nèi)存中存儲的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)按照一定的結(jié)構(gòu)存放，從而便于用戶在需要的時候進(jìn)行存取[5]；視圖是“用戶視圖”的簡稱，是顯示模型中數(shù)據(jù)的用戶界面，它由特定的語言繪制完成，從而使得模型中的數(shù)據(jù)按照用戶的意愿進(jìn)行組織、呈現(xiàn)[6]；控制器是“模型-視圖顯示控制器”的簡稱，更加精細(xì)化地控制著模型中的數(shù)據(jù)在視圖中的顯示方式，當(dāng)模型中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，控制器會主動向視圖反饋變化的模型數(shù)據(jù)，從而保證了視圖中顯示的數(shù)據(jù)和模型中的數(shù)據(jù)保持同步[7-8]。

本系統(tǒng)應(yīng)用程序基于MVC模式實現(xiàn)：模型由Qt/C++語言實現(xiàn)，保證了底層數(shù)據(jù)模型的跨平臺特性；視圖由QML(Qt元語言)實現(xiàn)，保證了前端設(shè)計的簡潔性、跨平臺性及與后臺Qt/C++銜接的緊密性；控制器由QML實現(xiàn)，保證了與模型、視圖銜接的緊密性，進(jìn)而使得整個應(yīng)用程序的邏輯架構(gòu)清晰、完整、嚴(yán)謹(jǐn)。當(dāng)用戶向底層數(shù)據(jù)模型發(fā)送提取數(shù)據(jù)請求時，QML實現(xiàn)的視圖將該請求轉(zhuǎn)換為信號，并且由QML實現(xiàn)的控制器發(fā)送到Qt/C++實現(xiàn)的底層數(shù)據(jù)模型，底層數(shù)據(jù)模型向控制器反饋數(shù)據(jù)，并且通過槽機(jī)制將數(shù)據(jù)發(fā)送到視圖，由控制器完成在視圖上的細(xì)節(jié)顯示工作。

1.2 QML/Qt.C++軟件架構(gòu)方案

計算機(jī)軟件架構(gòu)方面采用全新的QML/Qt.C++架構(gòu)方案。

QML即Qt meta language(Qt元語言),是一種全新的界面設(shè)計技術(shù)，于2011年由Digia公司提出。它將常見的圖元(部件，圖片，窗口，動畫等)做了簡易的封裝，使得用戶可以靈活地組合這些圖元，從而達(dá)到想要的界面效果[9]。

Qt是一種跨平臺的類庫，封裝了諸如數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)處理和前端顯示的函數(shù)，QML相比于Qt前端的進(jìn)步之處在于它的語法設(shè)計更加簡潔直觀，使得跨平臺的界面設(shè)計可以更加靈活，并且和Qt/C++后端技術(shù)銜接緊密[10]。

C++是一種跨平臺語言，可用于后臺的數(shù)據(jù)處理工作，并且可用于基于C++語言實現(xiàn)的Qt庫的混合程序設(shè)計工作，而QML又是在Qt的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的前端技術(shù)，所以基于QML/Qt.C++技術(shù)的前后端架構(gòu)方案有實現(xiàn)的可行性。

QML/Qt.C++架構(gòu)相較于傳統(tǒng)的軟件架構(gòu)方案的技術(shù)對比見圖1。

圖1 軟件架構(gòu)方案技術(shù)對比

前端(QML)優(yōu)勢:

QML的語法實現(xiàn)可以理解為HTML+CSS+JS的精簡版，相比于傳統(tǒng)的HTML+CSS+JS的前端技術(shù):

(1)QML去除了繁瑣的CSS樣式表操作，將HTML和JS的語法濃縮，使前端設(shè)計的語法更清晰，使用更簡潔。

(2)QML在桌面端的界面設(shè)計效果要明顯優(yōu)于HTML+CSS+JS。

相比于Qt的前端的進(jìn)步之處在于：QML是專業(yè)的前端描述語言，語法更加簡潔直觀，使得跨平臺的界面設(shè)計更加靈活、高效[11]。

相比于MFC前端的進(jìn)步之處在于：當(dāng)用戶使用QML時，不用像使用MFC一樣，記憶繁瑣的標(biāo)識符，語法更加簡潔、高效，并且跨平臺特性良好[12]。

后臺(Qt/C++/MYSQL)優(yōu)勢：

在php/java/.net/SQL SERVER/MYSQL的后臺架構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)中，java跨平臺需要虛擬機(jī)的支撐，系統(tǒng)的開銷會增大，而.net是微軟公司開發(fā)的程序設(shè)計語言，只能在Windows平臺下運行。Qt/C++/MYSQL設(shè)計的后臺方案可以運行在Windows，Linux，Android，OS X平臺上，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

前端與后臺(信號/槽的變種)連接的優(yōu)勢：

QML是在Qt之上發(fā)展出來的一門前端描述語言，它繼承了Qt中的信號/槽通信機(jī)制的原理，語法實現(xiàn)上要異于信號/槽，所以稱這種通信機(jī)制為信號/槽的變種。

相比于通用的軟件架構(gòu)技術(shù)1和3的通信機(jī)制(消息)，文中的通信機(jī)制(信號/槽的變種)更加簡潔高效。

相比于通用的軟件架構(gòu)技術(shù)2，文中的前端(QML實現(xiàn))和后臺(Qt/C++/SQL SERVER/MYSQL實現(xiàn))實現(xiàn)了完全的代碼層面的分離，降低了前后端的耦合度，使得軟件體系架構(gòu)邏輯更加清晰，可維護(hù)性和可擴(kuò)展性更強(qiáng)的同時，延續(xù)了軟件架構(gòu)技術(shù)2的跨平臺優(yōu)勢和便利的信號/槽通信機(jī)制。

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)由客戶端主機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)連接線部分組成，分別負(fù)責(zé)用戶界面的呈現(xiàn)工作、數(shù)據(jù)的存儲工作、物品柜中物品狀態(tài)的顯示工作、數(shù)據(jù)的傳輸工作。架構(gòu)方案拓?fù)湟妶D2。

圖2 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由NFC硬件讀卡器部分和上位機(jī)管理軟件兩部分組成。NFC讀寫器通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息匯總到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，客戶端從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提取信息向上位機(jī)顯示。上位機(jī)軟件基于QML/Qt.C++架構(gòu)方案和MVC設(shè)計模式設(shè)計和實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件架構(gòu)見圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖中，用戶發(fā)送請求(如點擊鼠標(biāo)等輸入操作)，該請求在視圖層被接收，之后由QML轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的信號，該信號通知控制層，指引控制層從Qt或C++語言實現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型中提取數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)由上位機(jī)軟件的網(wǎng)絡(luò)端口使用TCP協(xié)議，從NFC讀寫器硬件采集)，該數(shù)據(jù)依托控制器，通過槽機(jī)制，被發(fā)送到視圖層，從而完成用戶所請求的數(shù)據(jù)的顯示工作。其中，視圖層的架構(gòu)方案見圖4。

圖4 視圖層架構(gòu)

圖中，QML主窗口在應(yīng)用程序啟動時被加載，主窗口的實現(xiàn)代碼中定義了N個子窗口加載器，分別映射到子窗口的啟動圖標(biāo)上。當(dāng)用戶點擊某子窗口的啟動圖標(biāo)時，子窗口加載器加載對應(yīng)的子窗口描述代碼，啟動子窗口運行。其中，每個子窗口分別屬于幾個獨立的線程，子窗口之間通過信號/槽機(jī)制的變種進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。這種窗體加載方式使得前端界面設(shè)計的模塊性和可擴(kuò)展性更強(qiáng)。

類的對象需要在進(jìn)入應(yīng)用程序大循環(huán)之前注冊為QML前端環(huán)境的上下文屬性，以便該對象在QML環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)和使用。

2.2 軟件部分具體實現(xiàn)

(1)模型層設(shè)計。

模型層由Qt/C++語言設(shè)計完成，模型層分為數(shù)據(jù)庫模型、樹模型、網(wǎng)格模型、線性模型和用戶自定義模型五種。

(2)控制層設(shè)計。

控制層由QML設(shè)計完成，負(fù)責(zé)模型層數(shù)據(jù)向視圖層的顯示控制工作。用于控制前端報表中的小方格的顯示方式的控制層示例代碼如下：

//設(shè)置物件代理(表格中的每個小方格)

itemDelegate: Item{

focus: true;

id:itemDelegate;

Text {

id:text;

anchors.centerIn:parent;

color: "#6b6868"

//使用默認(rèn)的文本省略方式

elide:styleData.elideMode;

text:styleData.value;

font.family: "微軟雅黑";

}

}

(3)視圖層設(shè)計。

視圖層由QML設(shè)計完成，分為報表前端、樹前端、網(wǎng)格前端、線性前端、用戶自定義前端五種，這五種顯示方式和模型層的五種模型相對應(yīng)，形成了特定的五種顯示方式。其中，模型和視圖匹配的關(guān)鍵因素是role即角色屬性的對應(yīng)。例如，用戶想要提取數(shù)據(jù)庫中姓名和性別兩個字段的值并顯示到前端。在QML實現(xiàn)的視圖報表中，需要指明角色值，即想要提取的字段名稱，并且該字段名稱必須和數(shù)據(jù)庫中的字段名稱完全吻合。視圖報表的示例代碼如下：

//視圖報表從數(shù)據(jù)庫中提取“姓名”，“性別”數(shù)據(jù)項

TableViewColumn {

id: name;

role: "姓名";

title: "姓名";

}

TableViewColumn {

id: sex;

role: "性別";

title: "性別";

}

2.3 NFC部分具體實現(xiàn)

NFC方面，數(shù)據(jù)交換格式采用NDEF規(guī)范：NDEF定義了NFC設(shè)備之間以及設(shè)備與標(biāo)簽之間傳輸數(shù)據(jù)的一種消息封裝格式。設(shè)備之間傳輸?shù)男畔⒖梢苑庋b成一個NDEF消息，每個消息可以由多個NDEF記錄構(gòu)成[13-14]。

NFC采用主動和被動兩種讀取模式，發(fā)展了三種功能模式[15]：讀卡器模式(被動模式)、卡片模擬模式(被動模式)、點對點通信模式(主動模式)。文中采用的是被動模式的讀卡器功能模式。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的軟件界面可以達(dá)到藝術(shù)級的效果，監(jiān)控界面分為主界面、物品位界面、物品信息數(shù)據(jù)庫顯示界面等。應(yīng)用程序的界面整體運行效果見圖5。

圖5 應(yīng)用程序的運行界面

NFC數(shù)據(jù)速率見表1。

表1 NFC數(shù)據(jù)傳輸速率

表1中，使用ISO 15693協(xié)議的最高傳輸速率可以達(dá)到52.97 kb/s,使用ISO 14443協(xié)議的最高傳輸速率可以達(dá)到848 kb/s，滿足對于少量字符串?dāng)?shù)據(jù)的實時傳輸需求。

4 結(jié)束語

針對高效管理大規(guī)模NFC讀寫器的需求，設(shè)計實現(xiàn)了基于MVC設(shè)計模式和QML/Qt.C++軟件架構(gòu)方案的NFC讀寫器管理系統(tǒng)。其中，MVC設(shè)計模式降低了應(yīng)用程序中各模塊的耦合度，使得應(yīng)用程序的架構(gòu)邏輯清晰。QML/Qt.C++軟件架構(gòu)方案使得應(yīng)用程

序前端設(shè)計更加簡潔高效，模塊性更強(qiáng)。

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