基于Android的實驗設備遠程控制系統設計

唐 璐， 田傳耕， 祖茂衡， 莊銀蘋

(1. 徐州醫學院 醫學影像學院， 江蘇 徐州 221004； 2. 徐州工程學院 信電工程學院， 江蘇 徐州 221018)

基于Android的實驗設備遠程控制系統設計

唐 璐1， 田傳耕2， 祖茂衡1， 莊銀蘋1

(1. 徐州醫學院 醫學影像學院， 江蘇 徐州 221004； 2. 徐州工程學院 信電工程學院， 江蘇 徐州 221018)

針對布-加綜合征實驗設備的工作特點和工作要求，設計開發了一套基于Android平臺的布-加綜合征實驗設備遠程控制系統。介紹了系統的組成與工作原理、硬件設計方案以及軟件開發工作。基于Android平臺實現了布-加綜合征實驗室設備的遠程操作控制，提高了實驗設備的管理和使用效率，為布-加綜合征的研究提供更好、更便捷的服務。

實驗設備管理； 遠程控制； Android

近年來，布-加綜合征除了在我國黃淮流域繼續有較高的發病率外，華中、華南、華東和東北地區的患病率也有所增加[1-2]。為加強對布-加綜合征的病因和發病機制的研究，徐州醫學院成立了國內首個針對特殊疾病的實驗室——布-加綜合征實驗室[3-5]，配備了熒光分光光度計、原子吸收分光光度計等一系列儀器設備，其中一些儀器設備的使用需要提前預熱和延遲關閉。當管理員不在時，會給設備的使用、管理以及教學科研帶來不便。因此，開發研究布-加綜合征實驗設備遠程控制系統是非常有現實意義的。

1 系統總體設計

基于Android平臺的布-加綜合征實驗設備遠程控制系統主要由手機終端、服務器、網關和被控設備端組成，系統總體框架如圖1所示。手機為控制終端，基于智能手機的硬件和Android系統實現對設備的控制，通過Internet網絡登錄服務器查詢相關設備的參數，以及進行特定儀器設備的開關、預熱等控制操作。

圖1 系統總體框圖

由于實驗室設備種類及數量較多，并且分布在PCR室、微量元素分析室、細胞培養室等多個實驗室，采用6LoWPAN近距離無線通信技術[6]實現服務器與儀器設備進行通信，減少了實驗室布線并方便設備的擺放。系統中網關實現服務器數據和6LoWPAN數據的透明傳輸，被控設備端通過近距離無線通信網接收服務器的控制命令，在根據指令進行相應的操作后，將操作結果反饋給服務器，服務器處理后推送給手機控制終端。

2 系統硬件設計

2.1 網關設計

考慮到系統中網關的主要任務是串口數據與6LoWPAN網絡數據的透明傳輸，而網絡傳輸數據主要是來自服務器的命令和儀器設備的反饋信息，特征是流量較小，但實時性和可靠性要求高。本系統網關主控芯片采用TI的CC2530[7]。該芯片除了具有51內核外，還自帶基于IEEE802.15.4協議的無線通信協議模塊[8]，集成度較高且運行穩定。網關軟件采用Contiki操作系統并采用配套的6LoWPAN協議棧[9-10]。

6LoWPAN是一個針對近距離無線通信的輕量級TCP/IP協議棧，能有效保證服務器和被控設備端之間數據的透明傳輸。網關電路圖如圖2所示。圖中將串口轉換芯片SP3232連接到CC2530的P0端2口到4口，該串口負責與服務器進行通信，CC2530自帶無線通信模塊。考慮到本系統各無線節點所處范圍都在同一個實驗室，采用芯片外接PCB天線，從而降低成本。天線饋電端口連接到RF_N和RF_P端口。

圖2 網關電路圖

2.2 被控設備端設計

由于布-加綜合征實驗室的原子吸收分光光度計等實驗設備需要預熱、冷卻，或者其他設備根據使用情況要求提前開啟或者延遲關閉，因此，控制端電路主控芯片同樣采用CC2530，外接PCB天線。當服務器需要向實驗設備發送命令時，先通過串口將命令發送給網關，網關通過無線鏈路轉發給被控設備端，被控設備端再將命令傳送到指定的實驗設備實現開設備、關設備、延時開設備、延時關設備的操作。同樣，這些操作結果通過無線鏈路經網關反饋給服務器，該操作記錄也會存入數據庫中以供查詢。CC2530外接繼電器連接到受控設備，實現設備的開關等操作。控制終端的硬件結構如圖3所示，電路包括基本的無線通信天線和繼電器。為方便本地操作，電路還接有基本的LCD屏顯示設備和按鍵輸入輸出設備。

圖3 控制終端的硬件結構圖

繼電器采用松樂公司的SLA-12VDC-SL-A大功率繼電器。該繼電器支持220 V電壓和最大30 A的工作電流，當外接設備功率過大時，可考慮在電路中并聯RC吸收電路。為了隔離繼電器電壓變化對CC2530造成的強電干擾，電路中使用了光電隔離元件TLP521-1，可支持3.3～12 V電平轉換(見圖4)。

圖4 繼電器電路示意圖

3 軟件設計

3.1 被控設備端設計

被控設備端完成設備控制命令的接收響應并反饋操作結果。軟件設計和網關采用相同的開發環境，底層硬件資源管理采用Contiki2.6嵌入式操作系統，通過6LoWPAN協議棧接收命令和反饋信息。被控設備端有本地操作功能，當管理員在儀器附近時可以通過按鍵對設備進行操作。Contiki2.6操作系統可實現多任務管理，功能設計時，將人機本地交互，簡化了軟件的復雜度并方便維護。

3.2 手機控制終端設計

基于Android的手機控制終端可以通過GPRS、Wi-Fi、3G等網絡接入Internet，采用基于TCP/IP的Socket通信機制與服務器進行通信[11]。在Android應用程序的開發過程中，使用了Eclipse和Android SDK來搭建開發環境，并使用Java語言來編寫應用程序[12]。而服務器的服務端應用程序采用C#語言編程，在遠程監控系統運行時，手機控制終端需要先接入網絡，并獲得網絡分配的唯一IP地址，同時需要一個未被占用的端口，然后啟動Socket監聽。部分實現代碼如下：

private void ReceiveAndroidData() { //服務器的IPEndPoint tlTcpListen = new TcpListener(ipServer); //Tcp監聽啟動 tlTcpListen.Start(); while (true) { //通過連接請求獲得Socket server_Socket = tlTcpListen.AcceptSocket(); EndPoint temp = server_Socket.RemoteEndPoint; … }}

3.3 服務器設計

選擇需要控制的設備名，點擊相應的操作命令按鈕后將操作命令發送至服務器軟件。數據包格式為：#control|編號|操作。服務器軟件接收數據包后根據“#control”字符判別為發送操作設備信息，然后將數據包信息按“|”分離并經過串口調試助手發送到串口。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 服務器流程圖

部分實現代碼如下：

public void onClick(View v) { switch(v.getId()){ case R.id.add: showDialog(″請輸入要添加設備的編號″,1); … showDialog(″延遲多少分鐘開啟？″,2); … showDialog(″延遲多少分鐘關閉？″,2); break; } }

4 運行結構及分析

基于Android平臺的布-加綜合征實驗設備遠程控制系統運行于Android系統的手機控制終端。輸入用戶名和密碼登錄系統并進入設備控制界面，點擊手機右上方的“添加設備”按鈕，能夠將設置好的設備編號添加至軟件中，選擇需要控制的設備名，點擊相應的操作命令按鈕后，將操作命令發送至服務器軟件，實現對實驗設備的開啟、關閉、延時開啟、延時關閉等4種操作(見圖6)。

圖6 軟件操作界面圖

5 結束語

筆者設計并實現了一種基于Android平臺的布-加綜合征實驗設備遠程控制系統，介紹了系統的硬件

組成與軟件開發。系統通過二維碼、近距離無線網絡等技術，實現實驗設備的遠程控制操作。實際運行結果表明，用戶使用Android智能手機可遠程操控布-加綜合征實驗設備的開啟和關閉，并且操作結果正確，使用性能穩定可靠。該系統的設計方法可以推廣應用到各類實驗設備的遠程控制中。

References)

[1] 汪忠鎬,韓新巍.布-加綜合征介入治療與研究進展[M].鄭州:鄭州大學出版社,2009:128-258.

[2] 汪忠鎬,李春民,卞策,等.布-加綜合征的發展與展望[C]//第六屆國際布加綜合征學術大會暨汪忠鎬血管論壇，首屆中國布-加綜合征與靜脈疾病介入治療大會論文集，2010:701-703.

[3] 莊銀蘋,祖茂衡,唐璐,等.布-加綜合征實驗室建設探討[J].實驗技術與管理，2011,28(3):176-177,180.

[4] 趙淳,祖茂衡,莊銀蘋,等.布-加綜合征專題知識學習與交流網站建設探討[J].實驗技術與管理,2013,30(4):78-80.

[5] 莊銀蘋,王權，唐璐,等.布-加綜合征圖像信息管理系統的設計探討[J].實驗技術與管理,2014,31(1):117-119.

[6] 王曉喃,殷旭東.基于6LoWPAN無線傳感器網絡的農業環境實時監控系統[J].農業工程學報,2010,26(10):224-228.

[7] CC2530數據手冊[EB/OL].[2015-02-01].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru191f/swru191f.pdf.

[8] 楊松,胡國榮,徐沛成，等.基于CC2530的ZigBee協議MAC層設計與實現[J].計算機工程與設計,2013,34(11):3840-3844.

[9] 朱曉榮,李鳳國.基于Contiki的6LoWPAN適配層的研究與實現[J].信息通信術,2013(3):66-70.

[10] 冀宇鑫，楊冬，秦雅娟，等.基于WSNs平臺的Contiki通用移植方法研究[J].計算機技術與發展，2012,22(11)：134-137.

[11] 羅軍舟.TCP/IP協議及網絡編程技術[M].北京:清華大學出版社,2004.

[12] 郭宏志.Android應用開發詳解[M].北京:電子工業出版社,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

江蘇省科技項目臨床醫學科技專項(BL2012021)；江蘇省高校自然科學基金項目(12KJD310007)

唐璐(1982—)，女，江蘇徐州，碩士，講師，主要研究方向為生物醫學工程.

TP393

A

1002-4956(2015)5- 0149- 04