實驗室設備管理嵌入式手持終端設計*

孫中皋，雷瑩，王劍，王玉新，王軻毅，李龍

(遼寧師范大學 物理與電子技術學院, 大連 116029)

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實驗室設備管理嵌入式手持終端設計*

孫中皋，雷瑩，王劍，王玉新，王軻毅，李龍

(遼寧師范大學 物理與電子技術學院, 大連 116029)

為解決實驗室設備信息管理方式落后的問題，設計了一種基于物聯網技術的智能設備管理手持終端。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模塊等功能模塊構成；軟件上基于嵌入式Linux系統開發了手持終端程序，使用Qt開發了基于C/S架構的管理平臺。所設計的手持終端實現了對設備信息的查詢、添加及修改等功能的可移動式數字化管理，使得管理工作更便捷有效，可廣泛應用于高校、科研院所及其他設備管理場合中。

物聯網；設備管理; Linux系統；Qt；Samsung S5PV210

引 言

隨著實驗教學的廣泛應用及科學研究的廣泛開展，實驗設備的數量和種類日益增加，使得實驗設備的管理工作更加繁瑣而重要，也對實驗室設備管理的工作效率、設備查找的便捷性、設備信息更新的及時性及避免設備丟失等方面提出了更高的要求[1]。傳統的設備管理方法一般依賴于人工記錄，將設備信息進行歸檔并錄入到計算機電子檔案中。這種方式不僅工作效率低,而且易出現差錯，已經不適應現代教學科研數字化信息建設的需求。

物聯網是一種通過傳感設備將世界上任何物品通過網絡進行互聯，使人與物、物與物之間能夠進行無障礙的信息通信，從而實現智能化的控制、查詢、定位、配置等功能的網絡[2]。物聯網為現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略性產業之一[3]。近年來，研究將物聯網技術應用于實驗室設備管理，促進校園數字信息化建設成為了一個熱點問題[4-6]。

本文以提高設備管理效率為目標，主要研究如何運用物聯網技術中的RFID技術、條形碼技術及WiFi技術來實現設備的智能化、便捷化管理。為此，本文設計并實現了一款手持式實驗設備管理終端。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。基于內核3.0版本的Linux系統開發了終端的軟件，并采用Qt平臺開發了管理系統平臺，實現了實驗室設備信息的添加、修改、刪除、查找以及數據上傳等功能，滿足實驗室設備管理的數字化需求。

1 系統方案

嵌入式實驗室設備管理手持終端采用4層體系結構，系統分為硬件層、操作系統層、數據層以及用戶層。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，操作系統層為3.0內核的嵌入式Linux操作系統，數據層為SQLite數據庫，用戶層為使用Qt編寫的人機交互界面。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

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處理器作為整個系統的核心。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備上的條形碼標簽，如果該設備未曾錄入，則完成設備的信息采集，如果該設備已錄入，則可實現對該設備的信息進行查詢、修改及刪除等功能。RFID模塊用于以實驗室房間號為標識，為每個實驗室建立一張RFID卡，卡內記錄該實驗室內存放所有設備的索引信息，為設備的查找、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，用于將設備信息通過無線網絡發送到設備管理者的計算機上供他們瀏覽和管理。顯示觸摸屏單元則用于完成顯示和人機交互等功能。

1.2 操作系統層

操作系統使用3.0內核的嵌入式Linux操作系統。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的特性。它具有良好的可移植性、可裁剪性,應用產品開發周期短,且新產品上市迅速[7]。

1.3 數據層

數據層使用SQLite數據庫,用來存放設備信息數據。SQLite是一款輕型的嵌入式數據庫，它占用的資源低，支持Windows/Linux/Unix等主流操作系統,同時能夠跟很多程序語言結合。使用該簡單易用的數據庫使得系統開發和運行效率大大提高[8]。

1.4 用戶層

用戶層使用Qt軟件編寫。Qt是跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發框架，具有優良的跨平臺特性、良好的面向對象封裝機制和豐富的API等優點[9]。用戶層向用戶提供簡易和清晰的人機交互圖形接口，方便管理者對設備信息進行各種操作。用戶層主要包括用戶登錄、密碼修改、系統設置、設備添加、設備查詢、設備修改、RFID以及數據傳輸等功能模塊。

2 硬件設計

系統硬件以強大的Samsung S5PV210嵌入式微處理器作為控制核心，采用功能模塊化設計。S5PV210是基于Cortex-A8的嵌入式微處理器，運行主頻為1 GHz，內置PowerVR SGX540高性能圖形引擎，擁有豐富的外設資源。在Cortex-A8核心基礎上，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，硬件系統使用5 V電源，配備了1 GB的Flash，并且為了以后更方便擴展功能，預留了兩個USB接口。整個硬件系統的結構如圖2所示。

圖2 硬件系統結構

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。它是經濟型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230 mm并提供軟件編程功能。

條形碼掃描模塊使用標準RS232串口和控制核心相連，串口波特率為9 200。實驗室每個設備都擁有唯一標識的條形碼，條形碼掃描模塊將掃描到的設備條形碼信息傳輸至控制核心。控制核心依據此信息與數據庫中的設備信息進行匹配，如果該設備信息已存在，則顯示其詳細信息供用戶瀏覽、修改及刪除等操作；如果該設備信息不存在，則提示用戶完成該設備的信息入庫工作。

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行讀寫[10]，采用“按卡索引”的管理方式，為每個實驗室建立一張RFID卡，卡內存儲該實驗室的所有設備的索引信息。控制核心通過RS232標準串口對射頻模塊進行控制，并按照射頻卡上的索引信息完成對設備信息數據庫的讀和寫工作[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內核的STM32F103微處理器構成。

HF-A11x支持802.11b/g/n無線標準，支持多種網絡協議(TCP/IP/UD)，支持UART/GPIO/以太網數據通信接口，具有較小的尺寸，適合嵌入式系統的開發。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。當啟動WiFi模塊時，控制核心打開相應的串口與WiFi模塊進行通信；當對管理系統進行數據發送操作時，控制核心發送指令并通過WiFi模塊將設備信息數據發送出去[12]。

2.4 顯示/觸摸屏模塊

由于本設計實現的是可移動式終端，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。

3 軟件設計

手持終端整體的軟件結構采用客戶端/服務器(C/S)結構。軟件系統的結構如圖3所示，考慮到手持終端系統的穩定性及可移植性，軟件系統主體使用開源的3.0內核的嵌入式Linux操作系統，Linux系統穩定性好、方便移植，對各種外設也有完善的驅動支持，可以對本系統的條形碼、RFID及WiFi等外圍模塊提供良好的管理。數據層為SQLite數據庫，用戶層為基于Linux使用Qt編寫了手持終端的管理系統界面。

圖3 軟件系統結構

感知層使用STM系列單片機實現對WiFi和RFID的控制，系統軟件采用ComThread類操作串口與感知層進行數據傳輸，使用C語言開發。WEB端分為：服務層、核心層和應用層，主要用于接收手持終端發送的數據。

3.1 設備管理系統設計

設備管理系統管理著整個系統資源，并負責數據、協議的處理以及人機交互等功能。本系統基于3.0內核的嵌入式Linux操作系統,使用Qt編寫了管理系統，其功能結構如圖4所示。

圖4 管理系統功能結構

3.1.1 登 錄

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

3.1.2 設備信息查詢

本模塊功能是查詢設備信息，分為簡單查找和精確查找。簡單查找可以使用設備名稱或設備代號進行單一屬性查找，精確查找則可以使用設備ID、設備名稱、設備所屬實驗室、負責人、價格和入庫日期等設備相關信息進行單條屬性或者多條組合屬性的精確查找，設備信息查詢流程如圖6所示。

圖5 登錄流程圖

圖6 設備信息查詢流程圖

3.1.3 設備信息添加

設備信息添加的主要功能是向數據庫添加新設備信息。開啟模塊后，啟動設備添加界面，系統自動補全新設備編號，同時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備的其他信息便可將設備信息添加到數據庫中，設備信息添加流程如圖7所示。

圖7 設備信息添加流程圖

3.1.4 設備信息修改

本模塊的功能是完成對設備信息的修改。對于要修改的設備信息，可以通過兩種方式進行查找：一種是采用條形碼掃描模塊掃描設備的唯一標識碼，系統根據標識碼檢索設備信息并自動進入設備信息修改界面；另一種是采用設備信息查詢模塊進行查找，進而選擇設備休息修改進入修改界面。在設備信息修改界面，管理人員可以對設備各項信息進行修改(設備ID除外)，如果想放棄修改則點擊取消，設備修改選項將會隱藏。當信息確認無誤后，點擊確定便會更新數據庫、保存設備信息，設備信息修改流程如圖8所示。

圖8 設備信息修改流程圖

3.1.5 RFID

當啟動此模塊時，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行數據交互。當RFID模塊檢測到射頻卡時，可以通過界面操作來使用射頻模塊對卡進行讀和寫。射頻卡內可以存儲實驗室編號或設備編號信息,可以使用卡內信息檢索數據庫，來查詢實驗室設備或者對應的單個設備信息[13]。

3.1.6 WiFi

本模塊主要作用是對WiFi模塊進行相關配置，并啟動無線通信將所需發送的數據庫文件發送至WEB端或從WEB端下載數據庫文件[14]。

3.2 數據庫

數據庫技術是信息系統開發和建設中的核心技術和重要基礎，數據庫把應用中涉及到的大量數據按一定的模型組織起來，提供存儲、檢索和維護功能，使得信息系統可以方便地滿足用戶的應用需求。

本設計使用輕量級SQLite數據庫，在本系統的數據庫設計過程中，盡量保證數據一致性和完整性，盡量減少數據冗余及考慮數據查詢的高效性等設計原則。將設備設置為7條屬性，分別為設備的編號、名稱、狀態、地點、負責人、價格、購入時間以及條形碼信息。各項屬性數據都不能為空，其中設備編號為設備數據的主鍵，數據庫文件格式如表1所列。

表1 數據庫文件格式

4 系統應用

使用本設計手持終端對實驗室設備進行管理測試。每臺實驗室設備都貼有唯一標識碼的資產標簽，利用手持終端的條形碼掃描模塊并添加設備其他信息完成對設備信息的錄入；利用設備信息查詢,可對設備信息進行簡單或精確查詢，如圖9所示。

圖9 設備信息查詢用戶界面

利用設備信息修改可完成對設備信息的修改工作，如圖10所示。

圖10 設備信息修改用戶界面

利用RFID制卡可為每臺設備建立一張唯一的RFID標簽，也可依據實驗室編號，為每個實驗室建立一張含有本實驗室所有設備信息的RFID標簽，發放給實驗室責任人，便于對設備進行數字化管理；利用WiFi功能可將數據庫文件發送至WEB服務器端，供計算機終端進行數據查詢，并可將數據導出至Excel表格中。

圖11 RFID制卡用戶界面

結 語

[1] 劉震, 張麗梅, 宗虹. 新時期高校儀器設備管理探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2010, 29(4):183-186．

[2] 薛燕紅. 物聯網技術及其應用[M]. 北京：清華大學出版社, 2012.

[3] 物聯網“十二五”發展規劃[EB/OL]. [2016-06-13].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n12771663/14473808.html.

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[14] 李鐵男. 基于嵌入式Linux的無線文件傳輸系統的實現[J]. 計算機工程與設計, 2011, 32(6):1979-1982.

孫中皋(講師)，主要研究方向為無線通信技術及嵌入式系統設計。

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

遼寧師范大學本科教學改革研究項目(項目編號：501058)。

TP393

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?迪娜

2016-06-13)