基于Android的实验设备远程控制系统设计

唐 璐， 田传耕， 祖茂衡， 庄银苹

(1. 徐州医学院 医学影像学院， 江苏 徐州 221004； 2. 徐州工程学院 信电工程学院， 江苏 徐州 221018)

基于Android的实验设备远程控制系统设计

唐 璐1， 田传耕2， 祖茂衡1， 庄银苹1

(1. 徐州医学院 医学影像学院， 江苏 徐州 221004； 2. 徐州工程学院 信电工程学院， 江苏 徐州 221018)

针对布-加综合征实验设备的工作特点和工作要求，设计开发了一套基于Android平台的布-加综合征实验设备远程控制系统。介绍了系统的组成与工作原理、硬件设计方案以及软件开发工作。基于Android平台实现了布-加综合征实验室设备的远程操作控制，提高了实验设备的管理和使用效率，为布-加综合征的研究提供更好、更便捷的服务。

实验设备管理； 远程控制； Android

近年来，布-加综合征除了在我国黄淮流域继续有较高的发病率外，华中、华南、华东和东北地区的患病率也有所增加[1-2]。为加强对布-加综合征的病因和发病机制的研究，徐州医学院成立了国内首个针对特殊疾病的实验室——布-加综合征实验室[3-5]，配备了荧光分光光度计、原子吸收分光光度计等一系列仪器设备，其中一些仪器设备的使用需要提前预热和延迟关闭。当管理员不在时，会给设备的使用、管理以及教学科研带来不便。因此，开发研究布-加综合征实验设备远程控制系统是非常有现实意义的。

1 系统总体设计

基于Android平台的布-加综合征实验设备远程控制系统主要由手机终端、服务器、网关和被控设备端组成，系统总体框架如图1所示。手机为控制终端，基于智能手机的硬件和Android系统实现对设备的控制，通过Internet网络登录服务器查询相关设备的参数，以及进行特定仪器设备的开关、预热等控制操作。

图1 系统总体框图

由于实验室设备种类及数量较多，并且分布在PCR室、微量元素分析室、细胞培养室等多个实验室，采用6LoWPAN近距离无线通信技术[6]实现服务器与仪器设备进行通信，减少了实验室布线并方便设备的摆放。系统中网关实现服务器数据和6LoWPAN数据的透明传输，被控设备端通过近距离无线通信网接收服务器的控制命令，在根据指令进行相应的操作后，将操作结果反馈给服务器，服务器处理后推送给手机控制终端。

2 系统硬件设计

2.1 网关设计

考虑到系统中网关的主要任务是串口数据与6LoWPAN网络数据的透明传输，而网络传输数据主要是来自服务器的命令和仪器设备的反馈信息，特征是流量较小，但实时性和可靠性要求高。本系统网关主控芯片采用TI的CC2530[7]。该芯片除了具有51内核外，还自带基于IEEE802.15.4协议的无线通信协议模块[8]，集成度较高且运行稳定。网关软件采用Contiki操作系统并采用配套的6LoWPAN协议栈[9-10]。

6LoWPAN是一个针对近距离无线通信的轻量级TCP/IP协议栈，能有效保证服务器和被控设备端之间数据的透明传输。网关电路图如图2所示。图中将串口转换芯片SP3232连接到CC2530的P0端2口到4口，该串口负责与服务器进行通信，CC2530自带无线通信模块。考虑到本系统各无线节点所处范围都在同一个实验室，采用芯片外接PCB天线，从而降低成本。天线馈电端口连接到RF_N和RF_P端口。

图2 网关电路图

2.2 被控设备端设计

由于布-加综合征实验室的原子吸收分光光度计等实验设备需要预热、冷却，或者其他设备根据使用情况要求提前开启或者延迟关闭，因此，控制端电路主控芯片同样采用CC2530，外接PCB天线。当服务器需要向实验设备发送命令时，先通过串口将命令发送给网关，网关通过无线链路转发给被控设备端，被控设备端再将命令传送到指定的实验设备实现开设备、关设备、延时开设备、延时关设备的操作。同样，这些操作结果通过无线链路经网关反馈给服务器，该操作记录也会存入数据库中以供查询。CC2530外接继电器连接到受控设备，实现设备的开关等操作。控制终端的硬件结构如图3所示，电路包括基本的无线通信天线和继电器。为方便本地操作，电路还接有基本的LCD屏显示设备和按键输入输出设备。

图3 控制终端的硬件结构图

继电器采用松乐公司的SLA-12VDC-SL-A大功率继电器。该继电器支持220 V电压和最大30 A的工作电流，当外接设备功率过大时，可考虑在电路中并联RC吸收电路。为了隔离继电器电压变化对CC2530造成的强电干扰，电路中使用了光电隔离元件TLP521-1，可支持3.3～12 V电平转换(见图4)。

图4 继电器电路示意图

3 软件设计

3.1 被控设备端设计

被控设备端完成设备控制命令的接收响应并反馈操作结果。软件设计和网关采用相同的开发环境，底层硬件资源管理采用Contiki2.6嵌入式操作系统，通过6LoWPAN协议栈接收命令和反馈信息。被控设备端有本地操作功能，当管理员在仪器附近时可以通过按键对设备进行操作。Contiki2.6操作系统可实现多任务管理，功能设计时，将人机本地交互，简化了软件的复杂度并方便维护。

3.2 手机控制终端设计

基于Android的手机控制终端可以通过GPRS、Wi-Fi、3G等网络接入Internet，采用基于TCP/IP的Socket通信机制与服务器进行通信[11]。在Android应用程序的开发过程中，使用了Eclipse和Android SDK来搭建开发环境，并使用Java语言来编写应用程序[12]。而服务器的服务端应用程序采用C#语言编程，在远程监控系统运行时，手机控制终端需要先接入网络，并获得网络分配的唯一IP地址，同时需要一个未被占用的端口，然后启动Socket监听。部分实现代码如下：

private void ReceiveAndroidData() { //服务器的IPEndPoint tlTcpListen = new TcpListener(ipServer); //Tcp监听启动 tlTcpListen.Start(); while (true) { //通过连接请求获得Socket server_Socket = tlTcpListen.AcceptSocket(); EndPoint temp = server_Socket.RemoteEndPoint; … }}

3.3 服务器设计

选择需要控制的设备名，点击相应的操作命令按钮后将操作命令发送至服务器软件。数据包格式为：#control|编号|操作。服务器软件接收数据包后根据“#control”字符判别为发送操作设备信息，然后将数据包信息按“|”分离并经过串口调试助手发送到串口。软件流程图如图5所示。

图5 服务器流程图

部分实现代码如下：

public void onClick(View v) { switch(v.getId()){ case R.id.add: showDialog(″请输入要添加设备的编号″,1); … showDialog(″延迟多少分钟开启？″,2); … showDialog(″延迟多少分钟关闭？″,2); break; } }

4 运行结构及分析

基于Android平台的布-加综合征实验设备远程控制系统运行于Android系统的手机控制终端。输入用户名和密码登录系统并进入设备控制界面，点击手机右上方的“添加设备”按钮，能够将设置好的设备编号添加至软件中，选择需要控制的设备名，点击相应的操作命令按钮后，将操作命令发送至服务器软件，实现对实验设备的开启、关闭、延时开启、延时关闭等4种操作(见图6)。

图6 软件操作界面图

5 结束语

笔者设计并实现了一种基于Android平台的布-加综合征实验设备远程控制系统，介绍了系统的硬件

组成与软件开发。系统通过二维码、近距离无线网络等技术，实现实验设备的远程控制操作。实际运行结果表明，用户使用Android智能手机可远程操控布-加综合征实验设备的开启和关闭，并且操作结果正确，使用性能稳定可靠。该系统的设计方法可以推广应用到各类实验设备的远程控制中。

References)

[1] 汪忠镐,韩新巍.布-加综合征介入治疗与研究进展[M].郑州:郑州大学出版社,2009:128-258.

[2] 汪忠镐,李春民,卞策,等.布-加综合征的发展与展望[C]//第六届国际布加综合征学术大会暨汪忠镐血管论坛，首届中国布-加综合征与静脉疾病介入治疗大会论文集，2010:701-703.

[3] 庄银苹,祖茂衡,唐璐,等.布-加综合征实验室建设探讨[J].实验技术与管理，2011,28(3):176-177,180.

[4] 赵淳,祖茂衡,庄银苹,等.布-加综合征专题知识学习与交流网站建设探讨[J].实验技术与管理,2013,30(4):78-80.

[5] 庄银苹,王权，唐璐,等.布-加综合征图像信息管理系统的设计探讨[J].实验技术与管理,2014,31(1):117-119.

[6] 王晓喃,殷旭东.基于6LoWPAN无线传感器网络的农业环境实时监控系统[J].农业工程学报,2010,26(10):224-228.

[7] CC2530数据手册[EB/OL].[2015-02-01].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru191f/swru191f.pdf.

[8] 杨松,胡国荣,徐沛成，等.基于CC2530的ZigBee协议MAC层设计与实现[J].计算机工程与设计,2013,34(11):3840-3844.

[9] 朱晓荣,李凤国.基于Contiki的6LoWPAN适配层的研究与实现[J].信息通信术,2013(3):66-70.

[10] 冀宇鑫，杨冬，秦雅娟，等.基于WSNs平台的Contiki通用移植方法研究[J].计算机技术与发展，2012,22(11)：134-137.

[11] 罗军舟.TCP/IP协议及网络编程技术[M].北京:清华大学出版社,2004.

[12] 郭宏志.Android应用开发详解[M].北京:电子工业出版社,2010.

Design of remote experimental equipment control system based on Android

Tang Lu1, Tian Chuangeng2, Zu Maoheng1, Zhuang Yinping1

(1. Department of Medical Imaging, Xuzhou Medical College, Xuzhou 221004, China；2. School of Information and Electrical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China)

Considering the requirements and features of the experimental equipment of Budd-Chiari syndrome,a set of remote Budd-Chiari syndrome experimental equipment control system is design based on Android. This paper introduces the components and working principle, system hardware design scheme and software development work. It realizes the remote control of Budd-Chiari syndrome laboratory equipment, and greatly improves the efficiency of managing and utilizing of experimental equipment, and is significant to study Budd-Chiari syndrome.

experimental equipment management; remote control; Android

2015- 02- 11 修改日期：2015- 03- 26

江苏省科技项目临床医学科技专项(BL2012021)；江苏省高校自然科学基金项目(12KJD310007)

唐璐(1982—)，女，江苏徐州，硕士，讲师，主要研究方向为生物医学工程.

TP393

A

1002-4956(2015)5- 0149- 04