基于新型軟件架構的NFC管理系統的設計實現

周 楊，李 燕，李范鳴

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

0 引 言

目前，隨著NFC系統的應用越來越廣泛，相應的讀寫器的部署規模也越來越大，相應地對這些讀寫器的管理問題也日益嚴重。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，例如食堂收費系統等。這種管理方式人力成本過高，當系統的規模擴大時，這種弊端隨之加重。另一種是通過局域網或者廣域網進行分布式集中管理，由客戶端對分布式的NFC讀寫器進行參數的配置和數據的采集。這種方式使得用戶可以隨時隨地登錄服務器的網址，同時對大量NFC讀寫器進行監控，這是將來對NFC讀寫系統進行管理的主流趨勢。

傳統的軟件架構技術的實現方式主要分為MFC/C++.SQL SERVER.MYSQL,HTML+CSS+JS/php.java.net和Qt/Qt.C++三種[1]。MFC/C++.SQL SERVER.MYSQL實現的架構方案前后端的耦合度過高且語法復雜，沒有跨平臺特性；HTML+CSS+JS/php.java.net實現的架構方案雖然降低了前后端的耦合度，但是前端設計語法過于復雜，且后端沒有跨平臺特性；Qt/Qt.C++實現的架構方案雖然具有跨平臺特性，但是前端設計語法復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++的軟件架構和MVC設計模式。其中，QML(Qt元語言)的引入，降低了前端設計技術的復雜度；前后端分離的MVC設計模式，提高了系統的可擴展性和可維護性[3]。

1 技術架構

1.1 MVC設計模式

MVC即模型(model)-視圖(view)-控制器(controller)，是軟件架構技術中常用的設計模式，這種設計模式將前端顯示和后端數據處理分離，從而使得軟件架構邏輯清晰，增強了軟件產品的可維護性和可擴展性[4]。其中，模型是“數據模型”的簡稱，是用戶在磁盤上或內存中存儲的數據，這些數據按照一定的結構存放，從而便于用戶在需要的時候進行存取[5]；視圖是“用戶視圖”的簡稱，是顯示模型中數據的用戶界面，它由特定的語言繪制完成，從而使得模型中的數據按照用戶的意愿進行組織、呈現[6]；控制器是“模型-視圖顯示控制器”的簡稱，更加精細化地控制著模型中的數據在視圖中的顯示方式，當模型中的數據發生變化時，控制器會主動向視圖反饋變化的模型數據，從而保證了視圖中顯示的數據和模型中的數據保持同步[7-8]。

本系統應用程序基于MVC模式實現：模型由Qt/C++語言實現，保證了底層數據模型的跨平臺特性；視圖由QML(Qt元語言)實現，保證了前端設計的簡潔性、跨平臺性及與后臺Qt/C++銜接的緊密性；控制器由QML實現，保證了與模型、視圖銜接的緊密性，進而使得整個應用程序的邏輯架構清晰、完整、嚴謹。當用戶向底層數據模型發送提取數據請求時，QML實現的視圖將該請求轉換為信號，并且由QML實現的控制器發送到Qt/C++實現的底層數據模型，底層數據模型向控制器反饋數據，并且通過槽機制將數據發送到視圖，由控制器完成在視圖上的細節顯示工作。

1.2 QML/Qt.C++軟件架構方案

計算機軟件架構方面采用全新的QML/Qt.C++架構方案。

QML即Qt meta language(Qt元語言),是一種全新的界面設計技術，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，封裝了諸如數據庫等數據處理和前端顯示的函數，QML相比于Qt前端的進步之處在于它的語法設計更加簡潔直觀，使得跨平臺的界面設計可以更加靈活，并且和Qt/C++后端技術銜接緊密[10]。

C++是一種跨平臺語言，可用于后臺的數據處理工作，并且可用于基于C++語言實現的Qt庫的混合程序設計工作，而QML又是在Qt的基礎上發展出來的前端技術，所以基于QML/Qt.C++技術的前后端架構方案有實現的可行性。

QML/Qt.C++架構相較于傳統的軟件架構方案的技術對比見圖1。

圖1 軟件架構方案技術對比

前端(QML)優勢:

QML的語法實現可以理解為HTML+CSS+JS的精簡版，相比于傳統的HTML+CSS+JS的前端技術:

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

(2)QML在桌面端的界面設計效果要明顯優于HTML+CSS+JS。

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

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

后臺(Qt/C++/MYSQL)優勢：

在php/java/.net/SQL SERVER/MYSQL的后臺架構技術實現中，java跨平臺需要虛擬機的支撐，系統的開銷會增大，而.net是微軟公司開發的程序設計語言，只能在Windows平臺下運行。Qt/C++/MYSQL設計的后臺方案可以運行在Windows，Linux，Android，OS X平臺上，應用領域更加廣泛。

前端與后臺(信號/槽的變種)連接的優勢：

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

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

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

2 設計實現

2.1 總體架構

系統由客戶端主機、數據庫服務器、網絡連接線部分組成，分別負責用戶界面的呈現工作、數據的存儲工作、物品柜中物品狀態的顯示工作、數據的傳輸工作。架構方案拓撲見圖2。

圖2 系統模型結構

系統主要由NFC硬件讀卡器部分和上位機管理軟件兩部分組成。NFC讀寫器通過以太網將數據信息匯總到數據庫服務器，客戶端從數據庫服務器提取信息向上位機顯示。上位機軟件基于QML/Qt.C++架構方案和MVC設計模式設計和實現，系統軟件架構見圖3。

圖3 系統軟件架構

圖中，用戶發送請求(如點擊鼠標等輸入操作)，該請求在視圖層被接收，之后由QML轉換為對應的信號，該信號通知控制層，指引控制層從Qt或C++語言實現的數據模型中提取數據(該數據由上位機軟件的網絡端口使用TCP協議，從NFC讀寫器硬件采集)，該數據依托控制器，通過槽機制，被發送到視圖層，從而完成用戶所請求的數據的顯示工作。其中，視圖層的架構方案見圖4。

圖4 視圖層架構

圖中，QML主窗口在應用程序啟動時被加載，主窗口的實現代碼中定義了N個子窗口加載器，分別映射到子窗口的啟動圖標上。當用戶點擊某子窗口的啟動圖標時，子窗口加載器加載對應的子窗口描述代碼，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/槽機制的變種進行數據交互。這種窗體加載方式使得前端界面設計的模塊性和可擴展性更強。

類的對象需要在進入應用程序大循環之前注冊為QML前端環境的上下文屬性，以便該對象在QML環境中被發現和使用。

2.2 軟件部分具體實現

(1)模型層設計。

模型層由Qt/C++語言設計完成，模型層分為數據庫模型、樹模型、網格模型、線性模型和用戶自定義模型五種。

(2)控制層設計。

控制層由QML設計完成，負責模型層數據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"

//使用默認的文本省略方式

elide:styleData.elideMode;

text:styleData.value;

font.family: "微軟雅黑";

}

}

(3)視圖層設計。

視圖層由QML設計完成，分為報表前端、樹前端、網格前端、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，形成了特定的五種顯示方式。其中，模型和視圖匹配的關鍵因素是role即角色屬性的對應。例如，用戶想要提取數據庫中姓名和性別兩個字段的值并顯示到前端。在QML實現的視圖報表中，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據庫中的字段名稱完全吻合。視圖報表的示例代碼如下：

//視圖報表從數據庫中提取“姓名”，“性別”數據項

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

NFC方面，數據交換格式采用NDEF規范：NDEF定義了NFC設備之間以及設備與標簽之間傳輸數據的一種消息封裝格式。設備之間傳輸的信息可以封裝成一個NDEF消息，每個消息可以由多個NDEF記錄構成[13-14]。

NFC采用主動和被動兩種讀取模式，發展了三種功能模式[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 系統測試

系統的軟件界面可以達到藝術級的效果，監控界面分為主界面、物品位界面、物品信息數據庫顯示界面等。應用程序的界面整體運行效果見圖5。

圖5 應用程序的運行界面

NFC數據速率見表1。

表1 NFC數據傳輸速率

表1中，使用ISO 15693協議的最高傳輸速率可以達到52.97 kb/s,使用ISO 14443協議的最高傳輸速率可以達到848 kb/s，滿足對于少量字符串數據的實時傳輸需求。

4 結束語

針對高效管理大規模NFC讀寫器的需求，設計實現了基于MVC設計模式和QML/Qt.C++軟件架構方案的NFC讀寫器管理系統。其中，MVC設計模式降低了應用程序中各模塊的耦合度，使得應用程序的架構邏輯清晰。QML/Qt.C++軟件架構方案使得應用程

序前端設計更加簡潔高效，模塊性更強。

[1] ZULKERNINE M，SEVIORA R.Towards automatic monitoring of component-based software systems[J].Journal of Systems and Software,2005,74(1):15-24.

[2] 李衛華,傅曉東.可拓創新軟件體系結構研究[J].廣東工業大學學報,2016,33(2):1-4.

[3] 劉 暢，伍 星，遲毅林，等.設備在線監測系統的軟件架構研究[J].計算機工程，2010，36(23):69-71.

[4] PESSEMIER N,SEINTURIER L,DUCHIEN L.A component-based and aspect-oriented model for software evolution[J].International Journal of Computer Applications in Technology,2008,31(1/2):94-105.

[5] 梁 弼.基于MVC的高校科研成果管理系統的設計與實現[J].計算機技術與發展，2011，21(10):161-163．

[6] LI J M，MA G S，FENG G，et al.Research on web application of struts framework based on MVC pattern[C]//Proceedings of the 2006 international conference on advanced web and network technologies,and applications.[s.l.]:[s.n.],2006:1029-1032．

[7] 趙 琳，楊輝之，郝 勇，等.基于MVC的敏捷衛星工作模式仿真技術研究[J].系統仿真學報，2017，29(3):537-545.

[8] 于湛麟，李仲秋，任永昌.SSH框架實現MVC架構的電子商務軟件平臺[J].計算機技術與發展，2012，22(10):169-172.

[9] 安曉輝.Qt quick核心編程[M].北京:電子工業出版社,2015.

[10] 陸文周.Qt5開發及實例[M].第2版.北京:電子工業出版社,2015.

[11] 安曉輝.Qt on Android核心編程[M].北京:電子工業出版社,2015.

[12] 尼俊紅，張 麗，張 淼，等．基于Ajax和MVC的電力通信告警系統的設計實現[J].計算機應用與軟件，2013，30(8):226-227．

[13] 蘇 婕，王 忠.基于NFC技術的巡更巡檢管理系統的設計與實現[J].計算機工程與設計，2015，36(4):1068-1072.

[14] 蔣 華，孫 強.近距離無線通信技術標準解析[J].信息技術與標準化，2006(5):26-30.

[15] 徐 磊，周 喜，馬玉鵬，等.一種基于NFC手機的RFID中間件的設計與實現[J].計算機與現代化，2014(9):90-94.