手持式航天儀器設備信息終端設計

張 維 桑德彬

北京航天自動控制研究所，北京100854

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術與各行業的管理結合越來越緊密。在公共事業、物流、醫療以及食品餐飲等領域都得到了廣泛應用[1]。其中,RFID技術在設備管理的應用是一個研究的熱點,如通過RFID實現零部件維護、物流供應鏈和在制品的自動化管理[2]；利用RFID技術構建產品生命周期管理數字化管理平臺[3-4]以及實現各種環境下設備管理信息化[5-8]等。

但目前還未見有滿足航天設備管理特殊需求的解決方案。航天單位擁有大量精密儀器、貴重設備和特種設備，這些儀器設備分布在庫房、試驗室甚至外場。由于航天單位內不允許使用互聯網/GPS/WIFI等無線通信方式，分布現場對設備的管理只能依據事先從單位服務器的統一臺賬中下載打印的紙質文檔。在此過程中，經常會出現設備信息變化未及時更新、場地內設備位置不明、查找困難以及各場地間信息不通、無法進行全局部署的問題。導致設備管理效率低下，資源不能被有效利用，提高了企業成本。因此，如何建立具有航天特色的設備管理手段是當前迫切需要解決的問題。

針對以上問題，研制了一種手持式的航天儀器設備信息終端(以下簡稱信息終端)，它基于RFID技術構建了集實時定位、信息處理和地圖導覽等功能于一體的信息平臺并可與單位原有服務器無縫連接，從而構建起滿足航天可靠性、安全性需求的儀器設備管理網絡。

1 系統組成及工作流程

信息終端采用定制平板電腦+射頻識別+信息數據庫的整體方案。

平板電腦的技術近年來快速提升，因其體積小、重量輕、功耗低和人機界面友好等優點成為現場便攜式信息處理設備的最優選擇[9]。但通用的、商品化的平板電腦不能符合航天保密安全的要求，因此本文進行了專用化設計，在繼承平板電腦原有優點的基礎上，實現了適合航天應用場景的定制平板電腦。

RFID技術適合儀器設備管理的特點包括：識別距離較長，目標可在非接觸方式下識別；標簽處理速度快；標簽卡片環境適應性強，具有防水、耐油污、耐腐蝕等特點，能在惡劣條件下使用；標簽安全性強，卡號不可重復更改，各扇區內部數據具有獨立密碼保護，不易被偽造和篡改。因此將RFID技術引入到儀器設備管理中[10]。

在以上硬件的基礎上，信息終端建立定位信息、設備維護信息、標繪信息和通信信息數據庫，通過對RFID識別獲取的數據的檢索、分析處理和存儲，根據用戶指令調用相應功能模塊，實現對儀器設備的現場管理。

系統的工作流程如圖1所示，具體工作內容包括：

1)將儀器設備信息輸入信息終端數據庫，為每個儀器設備分配一個RFID標簽卡；

2)將電子RFID標簽卡附于相應設備上；

3)信息終端通過RFID模塊識別儀器設備上的電子標簽，將數據傳輸給主板；

4)主板運行系統軟件，對數據進行匯總處理并實現各種功能；

5)用戶通過液晶觸摸屏人機界面輸入指令和查看結果；

6)信息終端通過對外接口與單位原有服務器互連，實現統一臺賬數據的下載和更新。

圖1 信息終端工作原理圖

2 硬件設計

信息終端采用加固型定制平板電腦結構，硬件由外殼、定制主板和標準部件組合實現，包括：殼體、主板、電子盤、LCD屏、RFID讀卡器、RFID天線、電池以及電源適配器等部件，殼體內各電子部件間通過扁平電纜連接實現信號傳輸。

2.1 主板

主板是信息終端的控制核心。主板處理器選用Intel公司Bay Trail-I架構的Intel E3827處理器。這是一種適用于平板電腦的64位處理器，內置顯卡、PCIE、SATA和USB等多種接口電路，在平板電腦中目前使用最為廣泛、配套最為完善、對國產操作系統支持度最好；邏輯控制選用聯陽半導體股份有限公司 (ITE Tech. Inc.)的IT8528E嵌入式可編程邏輯控制器，它是平板電腦開機、硬件檢測、觸摸和電池等控制的核心；千兆以太網網卡芯片選用Intel公司的IntelI210AT,它通過PCIE通道與處理器連接。

主板的功能如圖2所示。

圖2 主板功能框圖

2.2 整機配置

通過主板擴展出多種對外接口，連接標準功能部件，構成信息終端硬件系統。系統配置如表1所示。

硬件系統經過在殼體結構件內的布局和安裝后，形成信息終端整機。在滿足部件和結構的散熱、電磁屏蔽、機械強度和剛性等要素需求的前提下進

行了輕量化設計，整機性能高、重量輕且功耗低，滿足了航天環境適應性要求。手持終端的整機性能指標如表2所示。

3 軟件設計

3.1 系統軟件方案

信息終端的軟件運行于主板上，與硬件配合工作，實現對儀器設備的全局統籌和個體管理。軟件分為核心層、中間層和應用層，結構如圖3所示。

表1 信息終端整機配置表

表2 整機性能指標

核心層中操作系統采用Microsoft Windows 7 64bits中文操作系統；設備驅動主要包括芯片組、聲卡、網卡和顯卡等驅動；應用層為用戶提供交互界面；中間層為應用層提供系統服務接口，包括應用于圖形化界面設計的GDI接口、應用于RFID模塊數據通信的RFID接口和應用于數據管理的SQL Server數據庫。

應用軟件開發時選用Microsoft Visual Studio集成開發環境，使用C/C++語言。

3.2 系統功能模塊設計

基于航天儀器設備管理的需求分析，確定了5個系統功能模塊。

1)設備管理模塊

對儀器設備的基本信息(編號、名稱、型號、檢定日期和使用人等)、位置信息(區域、試驗室和室內位置等)和指標信息進行管理。用戶亦可對設備信息條目進行添加、刪除和修改等工作。

圖3 軟件結構圖

2)設備詳情模塊

軟件通過RFID射頻模塊，對所在試驗室內的RFID射頻卡片進行掃描，并通過圖標和設備列表的方式顯示所有掃描到的設備。

3)設備定位模塊

顯示選中試驗室的設備布局情況，幫助用戶掌握試驗室全局信息。

4)導入導出模塊

對數據庫中的設備信息進行導入、導出；與所內服務器的數據同步等工作。

5)點檢報表模塊

該模塊提供2種報表：現場點檢和設備巡檢。用戶按報表要求完成對試驗現場和設備的安全檢查。

3.3 人機交互界面

根據模塊設計，用LabCVI開發出信息終端的人機交互界面包括登陸界面、設備管理界面、設備定位界面、設備詳情界面、導入導出界面和設備巡檢界面6個部分。

在登陸界面用戶可在信息框中輸入對應的信息，亦可使用綁定的RFID卡進行快捷登陸。登陸用戶分為2類：管理員和普通用戶。登陸后管理員和普通用戶進入不同權限主界面，普通用戶不能進行數據庫操作和人員設置，保證了系統操作的安全性。

設備管理界面包括設備列表、設備添加、地圖添加和設備名片4個子界面。設備列表界面如圖4所示。該界面顯示所有在數據庫中建立條目的儀器設備，用戶可通過關鍵字查找匹配的條目。

圖4 設備列表界面

雙擊列表上的條目，彈出設備名片界面，上有設備簡要介紹，包括：編號、名稱、負責人和地點。用戶可在設備名片界面上選擇刪除或修改按鈕，完成刪除或修改該條目的工作。

點擊添加設備后，彈出設備添加界面，如圖5所示。用戶在此輸入設備名稱、編號等信息，添加設備圖片；將射頻卡放置在射頻天線處，點擊按鈕，等待掃描的RFID卡編號顯示在RFID文本框中；選擇設備所在的試驗室，在顯示的地圖區域點擊設備所在位置；點擊確認按鈕，添加成功。

如果設備所在的位置在“使用地點”選項中不存在，點擊按鈕，彈出地圖添加對話框，在對話框中的文本框中添加地圖信息并上傳地圖圖片。

在設備詳情界面實時顯示某試驗室中信息終端的掃描結果。如掃描到數據庫中的設備且位置正確，在地圖上將顯示綠色圖標并在下方的設備列表中顯示設備簡要信息；如果掃描到存在數據庫中但不屬于本區域的設備則顯示黑色圖標，提醒用戶設備位置出錯。

在設備定位界面選擇需要查看的試驗室地圖，在右側的設備列表框中，將顯示所有在該試驗室的設備；點擊列表框中的單條設備信息，系統將會在地圖上顯示圖標指示該設備位置；點擊顯示所有設備，系統將在地圖上顯示多個圖標指示所有設備位置。

在導入導出界面，用戶通過上傳和下載數據文件實現設備信息的數據交互。信息終端和服務器間通過以太網接口連接，用戶在信息終端中存儲設備信息的文件格式與服務器中相同，因此可以實現兩者的無縫對接。

圖5 設備添加界面

在點檢報表界面，用戶在報表對話框中選擇每項信息的結果(合格、不合格)，等待所有項填寫完成后刷卡確認。每位負責人都有與自己名字對應的RFID卡片，刷卡后軟件自動在框中顯示相應負責人的名字。這種機制明確了人員職責、控制了人員權限且保證了點檢有效性。

4 結論

針對航天儀器設備管理傳統管理方式中出現的問題，綜合集成高性能平板電腦、RFID和數據庫技術，研制并實現了一種手持式信息終端，研究了該信息終端的軟、硬件架構，搭建了以定制主板為核心的硬件平臺，設計并實現了基于數據庫的應用軟件。該終端與服務器一起，構成了高效可靠、不依賴無線網絡的航天儀器設備管理系統。