手持式航天儀器設(shè)備信息終端設(shè)計(jì)

張 維 桑德彬

北京航天自動控制研究所，北京100854

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)與各行業(yè)的管理結(jié)合越來越緊密。在公共事業(yè)、物流、醫(yī)療以及食品餐飲等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1]。其中,RFID技術(shù)在設(shè)備管理的應(yīng)用是一個研究的熱點(diǎn),如通過RFID實(shí)現(xiàn)零部件維護(hù)、物流供應(yīng)鏈和在制品的自動化管理[2]；利用RFID技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品生命周期管理數(shù)字化管理平臺[3-4]以及實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境下設(shè)備管理信息化[5-8]等。

但目前還未見有滿足航天設(shè)備管理特殊需求的解決方案。航天單位擁有大量精密儀器、貴重設(shè)備和特種設(shè)備，這些儀器設(shè)備分布在庫房、試驗(yàn)室甚至外場。由于航天單位內(nèi)不允許使用互聯(lián)網(wǎng)/GPS/WIFI等無線通信方式，分布現(xiàn)場對設(shè)備的管理只能依據(jù)事先從單位服務(wù)器的統(tǒng)一臺賬中下載打印的紙質(zhì)文檔。在此過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)設(shè)備信息變化未及時更新、場地內(nèi)設(shè)備位置不明、查找困難以及各場地間信息不通、無法進(jìn)行全局部署的問題。導(dǎo)致設(shè)備管理效率低下，資源不能被有效利用，提高了企業(yè)成本。因此，如何建立具有航天特色的設(shè)備管理手段是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

針對以上問題，研制了一種手持式的航天儀器設(shè)備信息終端(以下簡稱信息終端)，它基于RFID技術(shù)構(gòu)建了集實(shí)時定位、信息處理和地圖導(dǎo)覽等功能于一體的信息平臺并可與單位原有服務(wù)器無縫連接，從而構(gòu)建起滿足航天可靠性、安全性需求的儀器設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)。

1 系統(tǒng)組成及工作流程

信息終端采用定制平板電腦+射頻識別+信息數(shù)據(jù)庫的整體方案。

平板電腦的技術(shù)近年來快速提升，因其體積小、重量輕、功耗低和人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)場便攜式信息處理設(shè)備的最優(yōu)選擇[9]。但通用的、商品化的平板電腦不能符合航天保密安全的要求，因此本文進(jìn)行了專用化設(shè)計(jì)，在繼承平板電腦原有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了適合航天應(yīng)用場景的定制平板電腦。

RFID技術(shù)適合儀器設(shè)備管理的特點(diǎn)包括：識別距離較長，目標(biāo)可在非接觸方式下識別；標(biāo)簽處理速度快；標(biāo)簽卡片環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有防水、耐油污、耐腐蝕等特點(diǎn)，能在惡劣條件下使用；標(biāo)簽安全性強(qiáng)，卡號不可重復(fù)更改，各扇區(qū)內(nèi)部數(shù)據(jù)具有獨(dú)立密碼保護(hù)，不易被偽造和篡改。因此將RFID技術(shù)引入到儀器設(shè)備管理中[10]。

在以上硬件的基礎(chǔ)上，信息終端建立定位信息、設(shè)備維護(hù)信息、標(biāo)繪信息和通信信息數(shù)據(jù)庫，通過對RFID識別獲取的數(shù)據(jù)的檢索、分析處理和存儲，根據(jù)用戶指令調(diào)用相應(yīng)功能模塊，實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備的現(xiàn)場管理。

系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，具體工作內(nèi)容包括：

1)將儀器設(shè)備信息輸入信息終端數(shù)據(jù)庫，為每個儀器設(shè)備分配一個RFID標(biāo)簽卡；

2)將電子RFID標(biāo)簽卡附于相應(yīng)設(shè)備上；

3)信息終端通過RFID模塊識別儀器設(shè)備上的電子標(biāo)簽，將數(shù)據(jù)傳輸給主板；

4)主板運(yùn)行系統(tǒng)軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理并實(shí)現(xiàn)各種功能；

5)用戶通過液晶觸摸屏人機(jī)界面輸入指令和查看結(jié)果；

6)信息終端通過對外接口與單位原有服務(wù)器互連，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一臺賬數(shù)據(jù)的下載和更新。

圖1 信息終端工作原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

信息終端采用加固型定制平板電腦結(jié)構(gòu)，硬件由外殼、定制主板和標(biāo)準(zhǔn)部件組合實(shí)現(xiàn)，包括：殼體、主板、電子盤、LCD屏、RFID讀卡器、RFID天線、電池以及電源適配器等部件，殼體內(nèi)各電子部件間通過扁平電纜連接實(shí)現(xiàn)信號傳輸。

2.1 主板

主板是信息終端的控制核心。主板處理器選用Intel公司Bay Trail-I架構(gòu)的Intel E3827處理器。這是一種適用于平板電腦的64位處理器，內(nèi)置顯卡、PCIE、SATA和USB等多種接口電路，在平板電腦中目前使用最為廣泛、配套最為完善、對國產(chǎn)操作系統(tǒng)支持度最好；邏輯控制選用聯(lián)陽半導(dǎo)體股份有限公司 (ITE Tech. Inc.)的IT8528E嵌入式可編程邏輯控制器，它是平板電腦開機(jī)、硬件檢測、觸摸和電池等控制的核心；千兆以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片選用Intel公司的IntelI210AT,它通過PCIE通道與處理器連接。

主板的功能如圖2所示。

圖2 主板功能框圖

2.2 整機(jī)配置

通過主板擴(kuò)展出多種對外接口，連接標(biāo)準(zhǔn)功能部件，構(gòu)成信息終端硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如表1所示。

硬件系統(tǒng)經(jīng)過在殼體結(jié)構(gòu)件內(nèi)的布局和安裝后，形成信息終端整機(jī)。在滿足部件和結(jié)構(gòu)的散熱、電磁屏蔽、機(jī)械強(qiáng)度和剛性等要素需求的前提下進(jìn)

行了輕量化設(shè)計(jì)，整機(jī)性能高、重量輕且功耗低，滿足了航天環(huán)境適應(yīng)性要求。手持終端的整機(jī)性能指標(biāo)如表2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件方案

信息終端的軟件運(yùn)行于主板上，與硬件配合工作，實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備的全局統(tǒng)籌和個體管理。軟件分為核心層、中間層和應(yīng)用層，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 信息終端整機(jī)配置表

表2 整機(jī)性能指標(biāo)

核心層中操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows 7 64bits中文操作系統(tǒng)；設(shè)備驅(qū)動主要包括芯片組、聲卡、網(wǎng)卡和顯卡等驅(qū)動；應(yīng)用層為用戶提供交互界面；中間層為應(yīng)用層提供系統(tǒng)服務(wù)接口，包括應(yīng)用于圖形化界面設(shè)計(jì)的GDI接口、應(yīng)用于RFID模塊數(shù)據(jù)通信的RFID接口和應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理的SQL Server數(shù)據(jù)庫。

應(yīng)用軟件開發(fā)時選用Microsoft Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境，使用C/C++語言。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

基于航天儀器設(shè)備管理的需求分析，確定了5個系統(tǒng)功能模塊。

1)設(shè)備管理模塊

對儀器設(shè)備的基本信息(編號、名稱、型號、檢定日期和使用人等)、位置信息(區(qū)域、試驗(yàn)室和室內(nèi)位置等)和指標(biāo)信息進(jìn)行管理。用戶亦可對設(shè)備信息條目進(jìn)行添加、刪除和修改等工作。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

2)設(shè)備詳情模塊

軟件通過RFID射頻模塊，對所在試驗(yàn)室內(nèi)的RFID射頻卡片進(jìn)行掃描，并通過圖標(biāo)和設(shè)備列表的方式顯示所有掃描到的設(shè)備。

3)設(shè)備定位模塊

顯示選中試驗(yàn)室的設(shè)備布局情況，幫助用戶掌握試驗(yàn)室全局信息。

4)導(dǎo)入導(dǎo)出模塊

對數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備信息進(jìn)行導(dǎo)入、導(dǎo)出；與所內(nèi)服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步等工作。

5)點(diǎn)檢報表模塊

該模塊提供2種報表：現(xiàn)場點(diǎn)檢和設(shè)備巡檢。用戶按報表要求完成對試驗(yàn)現(xiàn)場和設(shè)備的安全檢查。

3.3 人機(jī)交互界面

根據(jù)模塊設(shè)計(jì)，用LabCVI開發(fā)出信息終端的人機(jī)交互界面包括登陸界面、設(shè)備管理界面、設(shè)備定位界面、設(shè)備詳情界面、導(dǎo)入導(dǎo)出界面和設(shè)備巡檢界面6個部分。

在登陸界面用戶可在信息框中輸入對應(yīng)的信息，亦可使用綁定的RFID卡進(jìn)行快捷登陸。登陸用戶分為2類：管理員和普通用戶。登陸后管理員和普通用戶進(jìn)入不同權(quán)限主界面，普通用戶不能進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作和人員設(shè)置，保證了系統(tǒng)操作的安全性。

設(shè)備管理界面包括設(shè)備列表、設(shè)備添加、地圖添加和設(shè)備名片4個子界面。設(shè)備列表界面如圖4所示。該界面顯示所有在數(shù)據(jù)庫中建立條目的儀器設(shè)備，用戶可通過關(guān)鍵字查找匹配的條目。

圖4 設(shè)備列表界面

雙擊列表上的條目，彈出設(shè)備名片界面，上有設(shè)備簡要介紹，包括：編號、名稱、負(fù)責(zé)人和地點(diǎn)。用戶可在設(shè)備名片界面上選擇刪除或修改按鈕，完成刪除或修改該條目的工作。

點(diǎn)擊添加設(shè)備后，彈出設(shè)備添加界面，如圖5所示。用戶在此輸入設(shè)備名稱、編號等信息，添加設(shè)備圖片；將射頻卡放置在射頻天線處，點(diǎn)擊按鈕，等待掃描的RFID卡編號顯示在RFID文本框中；選擇設(shè)備所在的試驗(yàn)室，在顯示的地圖區(qū)域點(diǎn)擊設(shè)備所在位置；點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，添加成功。

如果設(shè)備所在的位置在“使用地點(diǎn)”選項(xiàng)中不存在，點(diǎn)擊按鈕，彈出地圖添加對話框，在對話框中的文本框中添加地圖信息并上傳地圖圖片。

在設(shè)備詳情界面實(shí)時顯示某試驗(yàn)室中信息終端的掃描結(jié)果。如掃描到數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備且位置正確，在地圖上將顯示綠色圖標(biāo)并在下方的設(shè)備列表中顯示設(shè)備簡要信息；如果掃描到存在數(shù)據(jù)庫中但不屬于本區(qū)域的設(shè)備則顯示黑色圖標(biāo)，提醒用戶設(shè)備位置出錯。

在設(shè)備定位界面選擇需要查看的試驗(yàn)室地圖，在右側(cè)的設(shè)備列表框中，將顯示所有在該試驗(yàn)室的設(shè)備；點(diǎn)擊列表框中的單條設(shè)備信息，系統(tǒng)將會在地圖上顯示圖標(biāo)指示該設(shè)備位置；點(diǎn)擊顯示所有設(shè)備，系統(tǒng)將在地圖上顯示多個圖標(biāo)指示所有設(shè)備位置。

在導(dǎo)入導(dǎo)出界面，用戶通過上傳和下載數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的數(shù)據(jù)交互。信息終端和服務(wù)器間通過以太網(wǎng)接口連接，用戶在信息終端中存儲設(shè)備信息的文件格式與服務(wù)器中相同，因此可以實(shí)現(xiàn)兩者的無縫對接。

圖5 設(shè)備添加界面

在點(diǎn)檢報表界面，用戶在報表對話框中選擇每項(xiàng)信息的結(jié)果(合格、不合格)，等待所有項(xiàng)填寫完成后刷卡確認(rèn)。每位負(fù)責(zé)人都有與自己名字對應(yīng)的RFID卡片，刷卡后軟件自動在框中顯示相應(yīng)負(fù)責(zé)人的名字。這種機(jī)制明確了人員職責(zé)、控制了人員權(quán)限且保證了點(diǎn)檢有效性。

4 結(jié)論

針對航天儀器設(shè)備管理傳統(tǒng)管理方式中出現(xiàn)的問題，綜合集成高性能平板電腦、RFID和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，研制并實(shí)現(xiàn)了一種手持式信息終端，研究了該信息終端的軟、硬件架構(gòu)，搭建了以定制主板為核心的硬件平臺，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用軟件。該終端與服務(wù)器一起，構(gòu)成了高效可靠、不依賴無線網(wǎng)絡(luò)的航天儀器設(shè)備管理系統(tǒng)。