实验室设备管理嵌入式手持终端设计*

孙中皋，雷莹，王剑，王玉新，王轲毅，李龙

(辽宁师范大学 物理与电子技术学院, 大连 116029)



实验室设备管理嵌入式手持终端设计*

孙中皋，雷莹，王剑，王玉新，王轲毅，李龙

(辽宁师范大学 物理与电子技术学院, 大连 116029)

为解决实验室设备信息管理方式落后的问题，设计了一种基于物联网技术的智能设备管理手持终端。该终端以Samsung S5PV210嵌入式处理器为核心，主要由条形码模块、RFID模块和WiFi模块等功能模块构成；软件上基于嵌入式Linux系统开发了手持终端程序，使用Qt开发了基于C/S架构的管理平台。所设计的手持终端实现了对设备信息的查询、添加及修改等功能的可移动式数字化管理，使得管理工作更便捷有效，可广泛应用于高校、科研院所及其他设备管理场合中。

物联网；设备管理; Linux系统；Qt；Samsung S5PV210

引 言

随着实验教学的广泛应用及科学研究的广泛开展，实验设备的数量和种类日益增加，使得实验设备的管理工作更加繁琐而重要，也对实验室设备管理的工作效率、设备查找的便捷性、设备信息更新的及时性及避免设备丢失等方面提出了更高的要求[1]。传统的设备管理方法一般依赖于人工记录，将设备信息进行归档并录入到计算机电子档案中。这种方式不仅工作效率低,而且易出现差错，已经不适应现代教学科研数字化信息建设的需求。

物联网是一种通过传感设备将世界上任何物品通过网络进行互联，使人与物、物与物之间能够进行无障碍的信息通信，从而实现智能化的控制、查询、定位、配置等功能的网络[2]。物联网为现代化的社会提供了崭新的模式，有效降低了劳动成本，给人们的生活带来诸多便利，已被正式列为我国五大新兴战略性产业之一[3]。近年来，研究将物联网技术应用于实验室设备管理，促进校园数字信息化建设成为了一个热点问题[4-6]。

本文以提高设备管理效率为目标，主要研究如何运用物联网技术中的RFID技术、条形码技术及WiFi技术来实现设备的智能化、便捷化管理。为此，本文设计并实现了一款手持式实验设备管理终端。该终端硬件以嵌入式处理器Samsung S5PV210作为控制核心，包括WiFi模块、条形码模块、RFID模块及触摸屏模块等外围功能模块。基于内核3.0版本的Linux系统开发了终端的软件，并采用Qt平台开发了管理系统平台，实现了实验室设备信息的添加、修改、删除、查找以及数据上传等功能，满足实验室设备管理的数字化需求。

1 系统方案

嵌入式实验室设备管理手持终端采用4层体系结构，系统分为硬件层、操作系统层、数据层以及用户层。其中，硬件层主要包括主控单元、感知单元、无线传输单元及显示触摸屏单元等功能模块，操作系统层为3.0内核的嵌入式Linux操作系统，数据层为SQLite数据库，用户层为使用Qt编写的人机交互界面。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

1.1 硬件层

硬件层包括主控单元、感知单元、无线传输单元及显示触摸屏单元等功能模块。其中，主控单元采用基于Cortex-A8的Samsung S5PV210处理器作为整个系统的核心。感知单元由条码扫描模块和RFID射频模块组成。条形码模块用于采集设备上的条形码标签，如果该设备未曾录入，则完成设备的信息采集，如果该设备已录入，则可实现对该设备的信息进行查询、修改及删除等功能。RFID模块用于以实验室房间号为标识，为每个实验室建立一张RFID卡，卡内记录该实验室内存放所有设备的索引信息，为设备的查找、对账及交接等管理工作提供可移动式的便利。无线传输单元采用WiFi技术，用于将设备信息通过无线网络发送到设备管理者的计算机上供他们浏览和管理。显示触摸屏单元则用于完成显示和人机交互等功能。

1.2 操作系统层

操作系统使用3.0内核的嵌入式Linux操作系统。嵌入式Linux既继承了Internet上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性。它具有良好的可移植性、可裁剪性,应用产品开发周期短,且新产品上市迅速[7]。

1.3 数据层

数据层使用SQLite数据库,用来存放设备信息数据。SQLite是一款轻型的嵌入式数据库，它占用的资源低，支持Windows/Linux/Unix等主流操作系统,同时能够跟很多程序语言结合。使用该简单易用的数据库使得系统开发和运行效率大大提高[8]。

1.4 用户层

用户层使用Qt软件编写。Qt是跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架，具有优良的跨平台特性、良好的面向对象封装机制和丰富的API等优点[9]。用户层向用户提供简易和清晰的人机交互图形接口，方便管理者对设备信息进行各种操作。用户层主要包括用户登录、密码修改、系统设置、设备添加、设备查询、设备修改、RFID以及数据传输等功能模块。

2 硬件设计

系统硬件以强大的Samsung S5PV210嵌入式微处理器作为控制核心，采用功能模块化设计。S5PV210是基于Cortex-A8的嵌入式微处理器，运行主频为1 GHz，内置PowerVR SGX540高性能图形引擎，拥有丰富的外设资源。在Cortex-A8核心基础上，硬件添加了条形码扫描模块、RFID射频模块、WiFi模块和LCD触摸显示屏。另外，硬件系统使用5 V电源，配备了1 GB的Flash，并且为了以后更方便扩展功能，预留了两个USB接口。整个硬件系统的结构如图2所示。

图2 硬件系统结构

2.1 条形码扫描模块

条形码扫描使用的是MCR12_TTL/KB扫描模块。它是经济型CCD条形码扫描模块，高灵敏度的线性图像传感器配备每秒100次的扫描速度，读取距离达230 mm并提供软件编程功能。

条形码扫描模块使用标准RS232串口和控制核心相连，串口波特率为9 200。实验室每个设备都拥有唯一标识的条形码，条形码扫描模块将扫描到的设备条形码信息传输至控制核心。控制核心依据此信息与数据库中的设备信息进行匹配，如果该设备信息已存在，则显示其详细信息供用户浏览、修改及删除等操作；如果该设备信息不存在，则提示用户完成该设备的信息入库工作。

2.2 RFID射频模块

RFID射频模块由STM8处理器和射频卡读写芯片MFRC531搭建而成。RFID射频模块的功能是对射频卡上存储的信息进行读写[10]，采用“按卡索引”的管理方式，为每个实验室建立一张RFID卡，卡内存储该实验室的所有设备的索引信息。控制核心通过RS232标准串口对射频模块进行控制，并按照射频卡上的索引信息完成对设备信息数据库的读和写工作[11]。

2.3 WiFi模块

WiFi模块由嵌入式WiFi模块HF-A11x和主频为72 MHz的基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103微处理器构成。

HF-A11x支持802.11b/g/n无线标准，支持多种网络协议(TCP/IP/UD)，支持UART/GPIO/以太网数据通信接口，具有较小的尺寸，适合嵌入式系统的开发。HF-A11x与STM32F103通过串口连接并引出TXD、RXD、VCC和GND四线接口与控制核心板连接。当启动WiFi模块时，控制核心打开相应的串口与WiFi模块进行通信；当对管理系统进行数据发送操作时，控制核心发送指令并通过WiFi模块将设备信息数据发送出去[12]。

2.4 显示/触摸屏模块

由于本设计实现的是可移动式终端，所以配备了一块电阻式触摸液晶显示屏用于显示和操作图形界面管理系统。

3 软件设计

手持终端整体的软件结构采用客户端/服务器(C/S)结构。软件系统的结构如图3所示，考虑到手持终端系统的稳定性及可移植性，软件系统主体使用开源的3.0内核的嵌入式Linux操作系统，Linux系统稳定性好、方便移植，对各种外设也有完善的驱动支持，可以对本系统的条形码、RFID及WiFi等外围模块提供良好的管理。数据层为SQLite数据库，用户层为基于Linux使用Qt编写了手持终端的管理系统界面。

图3 软件系统结构

感知层使用STM系列单片机实现对WiFi和RFID的控制，系统软件采用ComThread类操作串口与感知层进行数据传输，使用C语言开发。WEB端分为：服务层、核心层和应用层，主要用于接收手持终端发送的数据。

3.1 设备管理系统设计

设备管理系统管理着整个系统资源，并负责数据、协议的处理以及人机交互等功能。本系统基于3.0内核的嵌入式Linux操作系统,使用Qt编写了管理系统，其功能结构如图4所示。

图4 管理系统功能结构

3.1.1 登 录

当系统上电时，会启动设备管理系统，在登录界面输入正确的用户名和密码后会进入主界面，此时在主界面可以选择设备信息查询、添加、修改、RFID模块、WiFi模块和注销登录等相关功能。软件流程如图5所示。

3.1.2 设备信息查询

本模块功能是查询设备信息，分为简单查找和精确查找。简单查找可以使用设备名称或设备代号进行单一属性查找，精确查找则可以使用设备ID、设备名称、设备所属实验室、负责人、价格和入库日期等设备相关信息进行单条属性或者多条组合属性的精确查找，设备信息查询流程如图6所示。

图5 登录流程图

图6 设备信息查询流程图

3.1.3 设备信息添加

设备信息添加的主要功能是向数据库添加新设备信息。开启模块后，启动设备添加界面，系统自动补全新设备编号，同时打开串口并启动条形码扫描模块。使用条形码扫描模块扫描设备的条形码信息并完成自动录入，也可以手动输入条形码信息，然后管理人员通过触摸屏手动添加设备的其他信息便可将设备信息添加到数据库中，设备信息添加流程如图7所示。

图7 设备信息添加流程图

3.1.4 设备信息修改

本模块的功能是完成对设备信息的修改。对于要修改的设备信息，可以通过两种方式进行查找：一种是采用条形码扫描模块扫描设备的唯一标识码，系统根据标识码检索设备信息并自动进入设备信息修改界面；另一种是采用设备信息查询模块进行查找，进而选择设备休息修改进入修改界面。在设备信息修改界面，管理人员可以对设备各项信息进行修改(设备ID除外)，如果想放弃修改则点击取消，设备修改选项将会隐藏。当信息确认无误后，点击确定便会更新数据库、保存设备信息，设备信息修改流程如图8所示。

图8 设备信息修改流程图

3.1.5 RFID

当启动此模块时，会打开与RFID射频模块相连的串口，并通过串口与射频模块进行数据交互。当RFID模块检测到射频卡时，可以通过界面操作来使用射频模块对卡进行读和写。射频卡内可以存储实验室编号或设备编号信息,可以使用卡内信息检索数据库，来查询实验室设备或者对应的单个设备信息[13]。

3.1.6 WiFi

本模块主要作用是对WiFi模块进行相关配置，并启动无线通信将所需发送的数据库文件发送至WEB端或从WEB端下载数据库文件[14]。

3.2 数据库

数据库技术是信息系统开发和建设中的核心技术和重要基础，数据库把应用中涉及到的大量数据按一定的模型组织起来，提供存储、检索和维护功能，使得信息系统可以方便地满足用户的应用需求。

本设计使用轻量级SQLite数据库，在本系统的数据库设计过程中，尽量保证数据一致性和完整性，尽量减少数据冗余及考虑数据查询的高效性等设计原则。将设备设置为7条属性，分别为设备的编号、名称、状态、地点、负责人、价格、购入时间以及条形码信息。各项属性数据都不能为空，其中设备编号为设备数据的主键，数据库文件格式如表1所列。

表1 数据库文件格式

4 系统应用

使用本设计手持终端对实验室设备进行管理测试。每台实验室设备都贴有唯一标识码的资产标签，利用手持终端的条形码扫描模块并添加设备其他信息完成对设备信息的录入；利用设备信息查询,可对设备信息进行简单或精确查询，如图9所示。

图9 设备信息查询用户界面

利用设备信息修改可完成对设备信息的修改工作，如图10所示。

图10 设备信息修改用户界面

利用RFID制卡可为每台设备建立一张唯一的RFID标签，也可依据实验室编号，为每个实验室建立一张含有本实验室所有设备信息的RFID标签，发放给实验室责任人，便于对设备进行数字化管理；利用WiFi功能可将数据库文件发送至WEB服务器端，供计算机终端进行数据查询，并可将数据导出至Excel表格中。

图11 RFID制卡用户界面

结 语

[1] 刘震, 张丽梅, 宗虹. 新时期高校仪器设备管理探索与实践[J]. 实验室研究与探索, 2010, 29(4):183-186．

[2] 薛燕红. 物联网技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社, 2012.

[3] 物联网“十二五”发展规划[EB/OL]. [2016-06-13].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n12771663/14473808.html.

[4] 陈天福, 潘玲蓉, 宋铁成, 等. 基于物联网的实验设备管理系统的研制[J]. 电气电子教学学报, 2012, 34(5):41-44.

[5] 孙恒. 基于RFID技术的高校固定资产管理系统设计与应用[J]. 实验技术与管理, 2015, 32(1):251-254.

[6] 王法玉, 张晓洪, 陈洪涛, 等. RFID及WiFi技术在实验设备管理中的应用[J]. 实验技术与管理, 2015, 32(5):274-277.

[7] 俞辉, 姚磊, 刘凯, 等. ARM嵌入式Linux系统设计与开发[M]. 北京：机械工业出版社, 2010.

[8] 李强, 曾国强, 罗群, 等. 嵌入式数据库SQLite在核仪器数据管理中的应用[J]. 核电子学与探测技术, 2014, 34(8):921-925.

[9] 田磊. 嵌入式Linux系统中基于QT库的应用程序设计[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(5):84-86.

[10] 单玉峰, 姚磊. 无线射频识别(RFID)系统技术与应用[M]. 北京：电子工业出版社, 2008.

[11] 葛志军, 郝永生. 一种嵌入式RFID读写器的内部数据管理研究[J]. 电子技术应用, 2012, 38(6):34-37.

[12] 轩志伟, 轩春青, 张志杰, 等. 基于ARM+WiFi无线数据传输系统的设计[J]. 测控技术, 2013, 32(12):53-56.

[13] 王英, 廖志鹏. 基于嵌入式Linux的RFID读卡器的驱动程序设计与实现[J]. 重庆邮电大学学报:自然科学版, 2012, 24(6):740-745.

[14] 李铁男. 基于嵌入式Linux的无线文件传输系统的实现[J]. 计算机工程与设计, 2011, 32(6):1979-1982.

孙中皋(讲师)，主要研究方向为无线通信技术及嵌入式系统设计。

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

辽宁师范大学本科教学改革研究项目(项目编号：501058)。

TP393

A

�迪娜

2016-06-13)