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［摘要］随着高校大型仪器设备的增加，原有的分散管理、封闭使用的管理模式已很难满足对实验室仪器设备高效管理的要求，本文结合现有的实际情况，设计了基于嵌入式技术的设备控制与管理系统，将低成本的嵌入式系统连接到Internet，充分利用网络资源，实现更广范围的信息高速传输和资源共享，促进仪器设备的共享与实验室开放。
［关键词］嵌入式;仪器设备管理;Internet
由于思想观念、运行机制、经费来源多元化等因素，一些贵重的大型设备基本上处于“谁买谁管、谁管谁用”的“个体作坊式”状况。有些大型设备基本是本课题组或本实验室专用，不对外开放，严重制约了教学和科研，而这些设备几年后就“过时”了，造成资源的浪费。另一方面由于专职管理和维修人员配备不足，实验技术力量薄弱等原因导致维护不及时，使用寿命缩短。随着计算机技术、嵌入式技术、网络技术等的发展，借助信息化手段，建立大型仪器设备开放使用协作网，实施网络化管理是提高设备利用率及实现科学化管理的有效途径。设备管理人员将入网的设备信息、可以使用的时间及有关的规章制度等及时，供用户查询选用，可以面向社会共享和开放。在学校，非接触式IC卡凭借校园网络，实现“一卡通”，应用IC卡技术，对学校的设备实行现代化管理具有坚实的物质基础。基于以上情况，本文以嵌入式设计和应用为核心，设计一种高性能低成本的嵌入式以太网控制平台的仪器设备控制系统，对仪器设备进行有效的远程管理，提高设备的利用率，同时提升管理水平。
一、系统构成
嵌入式Internet对任务的完成通过一个包含实时操作系统的嵌入式网络模块，嵌入式网络模块实现TCP/IP协议栈和WebServer的基本功能。在嵌入式系统中实现TCP/IP协议栈是将嵌入式系统接入Internet的前提条件。TCP/IP协议就像一种通用的“语言”，只有具有这种“语言”，才可以和其它系统的“交流”。基于嵌入式技术的仪器设备管理系统包含两个部分:硬件系统、软件管理系统。硬件系统要完成对使用仪器设备人员的身份识别，通过读卡器读取的卡号，传送给嵌入式控制系统，通过网络系统和数据服务器通讯，判别使用者是否有使用设备的权利并发出相应的指令。管理系统包含管理软件和数据库，管理软件记录用户所有的操作历史，并将操作记录保存在数据库服务器，同时设备的基本信息、用户信息，实验时间及预约时间信息等写入数据库管理，以供查询、报表生成、统计分析、打印等管理功能。
二、硬件系统
硬件系统作为实时反应仪器设备使用情况及实时监控的实体，实现的功能:当用户将IC卡靠近读卡器时，控制器启动读卡模块读取用户卡号，然后将卡号通过以太网发给服务器。通过查询数据库确定该用户的合法性和权限，并根据结果决定用户是否可以使用仪器设备，然后通过以太网发送指令给控制器执行相应的操作。比如打开门锁、闭合设备的电源开关等。若是非法卡或异常状况，则发出报警功能并缓存刷卡记录，从而实现对仪器设备的实时控制。教师和学生使用设备时可以用校园通用卡，外来人员使用可以和管理员预约，用特定的卡片刷卡来表明借用设备的信息。数据库软件记录用户所有的操作历史以及对应的开关设备记录，并将操作记录保存在数据库服务器，从而完成仪器设备的实时监控及远程管理。硬件系统控制芯片采用单片机Atmega64，支持标准的JTAG调试接口，方便程序的开发和调试。网卡模块采用RTL8019AS，配合外部的物理层和软件实现基于TCP/UDP的socket通信。
三、数据库服务器
数据库服务器保存着用户所有的刷卡操作历史记录以及对应的开关设备的记录。此外，数据库还维护着有效用户的名单以及每个用户的权限。软件根据数据库的内容向控制器发送相应的操作指令，如打开设备电源，切断设备电源等。
四、管理软件
管理软件是运行在PC上的应用程序，它与数据库服务器通过Internet网构成典型的BS架构系统。管理软件具有多项功能，首先，它完成控制器的初始化设置工作，比如设置控制器的IP地址，MAC地址，子网掩码等;设置控制器的工作模式等。其次，管理软件通过以太网接收控制器发来的用户卡号，通过查询数据库确定该用户的合法性和权限，并根据结果决定用户是否可以使用仪器设备，然后通过以太网发送指令给控制器执行相应的操作。最后，管理软件记录用户所有的操作历史，并将操作记录保存在数据库服务器;管理软件同时还提供查询，报表生成，统计打印等管理功能供用户有效管理仪器设备。
(一)串口通信流程
板卡通过串口接收计算机的命令，对参数进行配置和读取，这个过程板卡是被动的。只有在计算机控制模式下，板卡才会主动向PC发送数据和命令。无论设备控制器处于何种模式下，它都可以通过串口接收PC的配置命令，只有在正确配置后，控制器才能正常工作。在配置阶段板卡被动接收PC发来的命令，执行相应的命令，并将结果返回给PC。Atmega64初始化串口后，打开串口接收中断使能。当PC发送数据给板卡时，单片机的串口接收中断被触发，在中断服务程序中串口根据通信协议依次接收完整的命令帧，然后设置UartCmdReady标志为TRUE，表示一个命令已经就绪，需要被处理;做完这些工作后，中断服务程序退出，最终在主程序中，MCU判断UartCmdReady为TRUE，从而调用uart_cmd_process()函数处理命令，紧接着将结果返回给PC。配置完成后，设备控制器进入工作状态，根据工作模式的不同其串口通信流程不同。在继电控制模式下，设备控制器管理的对象是一台仪器设备，设备控制器通过继电器控制设备电源的开关来实现对用户使用权的管理。在继电控制模式下，设备控制器不会与PC发生串口通信;只有在计算机控制模式下，设备控制器才会与被控制PC发生串口通信。所谓计算机控制模式，是指设备控制器管理的对象是一台PC机，在这种模式下，用户需要通过刷卡，通过权限检验才能使用计算机。如果没有通过权限检验，计算机会被锁定，不再对用户的任何操作作出响应。当计算机在控制模式时，用户刷卡后，单片机读取卡号，然后根据工作状态分别处理。如果是应急状态，则单片机会自己判断用户刷卡操作的意图是开机还是关机，然后，单片机通过串口发送开/关机命令给计算机，计算机在执行完命令后，同样返回一个结果给板卡。如果当前处于非应急状态，则单片机将卡号通过socket发送给服务器，由服务器决定具体的动作，服务器返回动作命令后(开机或者关机)，单片机再通过串口向计算机发送控制命令，并接收计算机返回的结果，再次通过socket将命令结果发送给服务器。
(二)刷卡处理流程
当用户卡片接近读卡模块时，读卡模块会自动产生一个中断通知单片机。在中断服务程序中，单片机通过I2C总线读取卡号，然后设置CardReady标志为TRUE后退出中断服务程序。在主程序中，通过检查CardReady，得知用户已经刷卡，则根据已经读出的卡号，做相应处理，包括判断是否为管理员卡号，如果是，则切换系统工作状态(应急/非应急状态);否则根据工作模式分别处理，在非应急状态下，设备控制器会将卡号通过socket发给服务器，由服务器决定具体操作。
(三)socket命令处理流程
socket命令处理流程与串口流程相似。服务器通过socket发送命令给设备控制器用来设置或者读取有关参数。主程序不断循环检查是否有命令通过socket发送过来，如果有，则根据命令代码，执行相应的操作，再返回执行结果给服务器。
(四)缓存数据处理流程
在应急状态下，用户的刷卡信息不通过网络发送给服务器，而是保存在EEPROM中。当解除应急状态后，设备控制器马上尝试连接tcp/ip网络，如果连接成功，设备控制器将尝试发送缓存的刷卡记录，服务器在接收到记录后，保存到数据库，同时给设备控制器一个确认信息，设备控制器在收到确认信息后，从EEPROM中删除该条记录。如果发送缓存记录失败，设备控制器将随机延时一段时间后再重新尝试。
(五)心跳信号处理
心跳信号为服务器提供一个在线信号，通过每5分钟发送一次心跳信号，服务器可以得知该设备控制器仍然正常在线。本项目中，利用定时器1记录心跳信号的时间间隔，如果5分钟的间隔时间到达，则设置BeatReady标志为TRUE，则主程序在循环中判断BeatReady为TRUE，从而通过socket想服务器发送一次心跳信号。
(六)应急状态
应急状态是当网络连接有故障的时候，由设备控制器记录用户的刷卡记录;等到网络连接正常后，再发送刷卡记录，保存到数据库中。
(七)uIP协议栈与通信
采用开源的uIP0．9协议栈实现TCP/IP通信。设备控制器与计算机之间的串口通信自定义应用层的协议，规定以数据帧的形式进行通信。每次通信，发送方将发送一个完整的命令数据帧，接收方在执行完命令后返回的结果也定义为一个结果数据帧。对于主动发送命令请求的一方，其发送的数据帧为命令数据帧;接收方接收后进行解析，再根据命令数据帧的内容执行相应的操作，最后将操作结果通过数据帧的形式返回给发送方。
五、总结
在嵌入式系统接入Internet的技术基础上，采用8位的微处理器与嵌入式实时操作系统相结合，研究并进行了嵌入式设备控制系统的软硬件设计。针对实验仪器设备监控管理的需要，实现对仪器设备的监控和管理功能。在性能方面，用低功耗、高性能的8位单片机，既能满足需要，成本又低;系统不需要专门的网络和铺设专用线路，充分利用现有的网络资源，节约了成本。
参考文献:
［1］朱清梅，王丽华，杨秀英，等．专业实验室大型设备管理与使用［J］．高师理科学刊，2007(6):118-120．
［2］李黄河．高校教学科研仪器设备网络化管理的探讨［J］．广西师范学院学报:自然科学版，2008(4):94-96．
［3］丛丛．基于TCP/IP协议的嵌入式远程测控系统的研究与设计［D］．青岛:中国石油大学，2007.
作者:李玉秋 吴玲玲 丁振杰 单位:亳州职业技术学院
