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［摘要］隨著高校大型儀器設備的增加，原有的分散管理、封閉使用的管理模式已很難滿足對實驗室儀器設備高效管理的要求，本文結合現有的實際情況，設計了基于嵌入式技術的設備控制與管理系統，將低成本的嵌入式系統連接到Internet，充分利用網絡資源，實現更廣范圍的信息高速傳輸和資源共享，促進儀器設備的共享與實驗室開放。
［關鍵詞］嵌入式;儀器設備管理;Internet
由于思想觀念、運行機制、經費來源多元化等因素，一些貴重的大型設備基本上處于“誰買誰管、誰管誰用”的“個體作坊式”狀況。有些大型設備基本是本課題組或本實驗室專用，不對外開放，嚴重制約了教學和科研，而這些設備幾年后就“過時”了，造成資源的浪費。另一方面由于專職管理和維修人員配備不足，實驗技術力量薄弱等原因導致維護不及時，使用壽命縮短。隨著計算機技術、嵌入式技術、網絡技術等的發展，借助信息化手段，建立大型儀器設備開放使用協作網，實施網絡化管理是提高設備利用率及實現科學化管理的有效途徑。設備管理人員將入網的設備信息、可以使用的時間及有關的規章制度等及時，供用戶查詢選用，可以面向社會共享和開放。在學校，非接觸式IC卡憑借校園網絡，實現“一卡通”，應用IC卡技術，對學校的設備實行現代化管理具有堅實的物質基礎?；谝陨锨闆r，本文以嵌入式設計和應用為核心，設計一種高性能低成本的嵌入式以太網控制平臺的儀器設備控制系統，對儀器設備進行有效的遠程管理，提高設備的利用率，同時提升管理水平。
一、系統構成
嵌入式Internet對任務的完成通過一個包含實時操作系統的嵌入式網絡模塊，嵌入式網絡模塊實現TCP/IP協議棧和WebServer的基本功能。在嵌入式系統中實現TCP/IP協議棧是將嵌入式系統接入Internet的前提條件。TCP/IP協議就像一種通用的“語言”，只有具有這種“語言”，才可以和其它系統的“交流”。基于嵌入式技術的儀器設備管理系統包含兩個部分:硬件系統、軟件管理系統。硬件系統要完成對使用儀器設備人員的身份識別，通過讀卡器讀取的卡號，傳送給嵌入式控制系統，通過網絡系統和數據服務器通訊，判別使用者是否有使用設備的權利并發出相應的指令。管理系統包含管理軟件和數據庫，管理軟件記錄用戶所有的操作歷史，并將操作記錄保存在數據庫服務器，同時設備的基本信息、用戶信息，實驗時間及預約時間信息等寫入數據庫管理，以供查詢、報表生成、統計分析、打印等管理功能。
二、硬件系統
硬件系統作為實時反應儀器設備使用情況及實時監控的實體，實現的功能:當用戶將IC卡靠近讀卡器時，控制器啟動讀卡模塊讀取用戶卡號，然后將卡號通過以太網發給服務器。通過查詢數據庫確定該用戶的合法性和權限，并根據結果決定用戶是否可以使用儀器設備，然后通過以太網發送指令給控制器執行相應的操作。比如打開門鎖、閉合設備的電源開關等。若是非法卡或異常狀況，則發出報警功能并緩存刷卡記錄，從而實現對儀器設備的實時控制。教師和學生使用設備時可以用校園通用卡，外來人員使用可以和管理員預約，用特定的卡片刷卡來表明借用設備的信息。數據庫軟件記錄用戶所有的操作歷史以及對應的開關設備記錄，并將操作記錄保存在數據庫服務器，從而完成儀器設備的實時監控及遠程管理。硬件系統控制芯片采用單片機Atmega64，支持標準的JTAG調試接口，方便程序的開發和調試。網卡模塊采用RTL8019AS，配合外部的物理層和軟件實現基于TCP/UDP的socket通信。
三、數據庫服務器
數據庫服務器保存著用戶所有的刷卡操作歷史記錄以及對應的開關設備的記錄。此外，數據庫還維護著有效用戶的名單以及每個用戶的權限。軟件根據數據庫的內容向控制器發送相應的操作指令，如打開設備電源，切斷設備電源等。
四、管理軟件
管理軟件是運行在PC上的應用程序，它與數據庫服務器通過Internet網構成典型的BS架構系統。管理軟件具有多項功能，首先，它完成控制器的初始化設置工作，比如設置控制器的IP地址，MAC地址，子網掩碼等;設置控制器的工作模式等。其次，管理軟件通過以太網接收控制器發來的用戶卡號，通過查詢數據庫確定該用戶的合法性和權限，并根據結果決定用戶是否可以使用儀器設備，然后通過以太網發送指令給控制器執行相應的操作。最后，管理軟件記錄用戶所有的操作歷史，并將操作記錄保存在數據庫服務器;管理軟件同時還提供查詢，報表生成，統計打印等管理功能供用戶有效管理儀器設備。
(一)串口通信流程
板卡通過串口接收計算機的命令，對參數進行配置和讀取，這個過程板卡是被動的。只有在計算機控制模式下，板卡才會主動向PC發送數據和命令。無論設備控制器處于何種模式下，它都可以通過串口接收PC的配置命令，只有在正確配置后，控制器才能正常工作。在配置階段板卡被動接收PC發來的命令，執行相應的命令，并將結果返回給PC。Atmega64初始化串口后，打開串口接收中斷使能。當PC發送數據給板卡時，單片機的串口接收中斷被觸發，在中斷服務程序中串口根據通信協議依次接收完整的命令幀，然后設置UartCmdReady標志為TRUE，表示一個命令已經就緒，需要被處理;做完這些工作后，中斷服務程序退出，最終在主程序中，MCU判斷UartCmdReady為TRUE，從而調用uart_cmd_process()函數處理命令，緊接著將結果返回給PC。配置完成后，設備控制器進入工作狀態，根據工作模式的不同其串口通信流程不同。在繼電控制模式下，設備控制器管理的對象是一臺儀器設備，設備控制器通過繼電器控制設備電源的開關來實現對用戶使用權的管理。在繼電控制模式下，設備控制器不會與PC發生串口通信;只有在計算機控制模式下，設備控制器才會與被控制PC發生串口通信。所謂計算機控制模式，是指設備控制器管理的對象是一臺PC機，在這種模式下，用戶需要通過刷卡，通過權限檢驗才能使用計算機。如果沒有通過權限檢驗，計算機會被鎖定，不再對用戶的任何操作作出響應。當計算機在控制模式時，用戶刷卡后，單片機讀取卡號，然后根據工作狀態分別處理。如果是應急狀態，則單片機會自己判斷用戶刷卡操作的意圖是開機還是關機，然后，單片機通過串口發送開/關機命令給計算機，計算機在執行完命令后，同樣返回一個結果給板卡。如果當前處于非應急狀態，則單片機將卡號通過socket發送給服務器，由服務器決定具體的動作，服務器返回動作命令后(開機或者關機)，單片機再通過串口向計算機發送控制命令，并接收計算機返回的結果，再次通過socket將命令結果發送給服務器。
(二)刷卡處理流程
當用戶卡片接近讀卡模塊時，讀卡模塊會自動產生一個中斷通知單片機。在中斷服務程序中，單片機通過I2C總線讀取卡號，然后設置CardReady標志為TRUE后退出中斷服務程序。在主程序中，通過檢查CardReady，得知用戶已經刷卡，則根據已經讀出的卡號，做相應處理，包括判斷是否為管理員卡號，如果是，則切換系統工作狀態(應急/非應急狀態);否則根據工作模式分別處理，在非應急狀態下，設備控制器會將卡號通過socket發給服務器，由服務器決定具體操作。
(三)socket命令處理流程
socket命令處理流程與串口流程相似。服務器通過socket發送命令給設備控制器用來設置或者讀取有關參數。主程序不斷循環檢查是否有命令通過socket發送過來，如果有，則根據命令代碼，執行相應的操作，再返回執行結果給服務器。
(四)緩存數據處理流程
在應急狀態下，用戶的刷卡信息不通過網絡發送給服務器，而是保存在EEPROM中。當解除應急狀態后，設備控制器馬上嘗試連接tcp/ip網絡，如果連接成功，設備控制器將嘗試發送緩存的刷卡記錄，服務器在接收到記錄后，保存到數據庫，同時給設備控制器一個確認信息，設備控制器在收到確認信息后，從EEPROM中刪除該條記錄。如果發送緩存記錄失敗，設備控制器將隨機延時一段時間后再重新嘗試。
(五)心跳信號處理
心跳信號為服務器提供一個在線信號，通過每5分鐘發送一次心跳信號，服務器可以得知該設備控制器仍然正常在線。本項目中，利用定時器1記錄心跳信號的時間間隔，如果5分鐘的間隔時間到達，則設置BeatReady標志為TRUE，則主程序在循環中判斷BeatReady為TRUE，從而通過socket想服務器發送一次心跳信號。
(六)應急狀態
應急狀態是當網絡連接有故障的時候，由設備控制器記錄用戶的刷卡記錄;等到網絡連接正常后，再發送刷卡記錄，保存到數據庫中。
(七)uIP協議棧與通信
采用開源的uIP0．9協議棧實現TCP/IP通信。設備控制器與計算機之間的串口通信自定義應用層的協議，規定以數據幀的形式進行通信。每次通信，發送方將發送一個完整的命令數據幀，接收方在執行完命令后返回的結果也定義為一個結果數據幀。對于主動發送命令請求的一方，其發送的數據幀為命令數據幀;接收方接收后進行解析，再根據命令數據幀的內容執行相應的操作，最后將操作結果通過數據幀的形式返回給發送方。
五、總結
在嵌入式系統接入Internet的技術基礎上，采用8位的微處理器與嵌入式實時操作系統相結合，研究并進行了嵌入式設備控制系統的軟硬件設計。針對實驗儀器設備監控管理的需要，實現對儀器設備的監控和管理功能。在性能方面，用低功耗、高性能的8位單片機，既能滿足需要，成本又低;系統不需要專門的網絡和鋪設專用線路，充分利用現有的網絡資源，節約了成本。
參考文獻:
［1］朱清梅，王麗華，楊秀英，等．專業實驗室大型設備管理與使用［J］．高師理科學刊，2007(6):118-120．
［2］李黃河．高校教學科研儀器設備網絡化管理的探討［J］．廣西師范學院學報:自然科學版，2008(4):94-96．
［3］叢叢．基于TCP/IP協議的嵌入式遠程測控系統的研究與設計［D］．青島:中國石油大學，2007.
作者:李玉秋 吳玲玲 丁振杰 單位:亳州職業技術學院
