手持式航天仪器设备信息终端设计

张 维 桑德彬

北京航天自动控制研究所，北京100854

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术与各行业的管理结合越来越紧密。在公共事业、物流、医疗以及食品餐饮等领域都得到了广泛应用[1]。其中,RFID技术在设备管理的应用是一个研究的热点,如通过RFID实现零部件维护、物流供应链和在制品的自动化管理[2]；利用RFID技术构建产品生命周期管理数字化管理平台[3-4]以及实现各种环境下设备管理信息化[5-8]等。

但目前还未见有满足航天设备管理特殊需求的解决方案。航天单位拥有大量精密仪器、贵重设备和特种设备，这些仪器设备分布在库房、试验室甚至外场。由于航天单位内不允许使用互联网/GPS/WIFI等无线通信方式，分布现场对设备的管理只能依据事先从单位服务器的统一台账中下载打印的纸质文档。在此过程中，经常会出现设备信息变化未及时更新、场地内设备位置不明、查找困难以及各场地间信息不通、无法进行全局部署的问题。导致设备管理效率低下，资源不能被有效利用，提高了企业成本。因此，如何建立具有航天特色的设备管理手段是当前迫切需要解决的问题。

针对以上问题，研制了一种手持式的航天仪器设备信息终端(以下简称信息终端)，它基于RFID技术构建了集实时定位、信息处理和地图导览等功能于一体的信息平台并可与单位原有服务器无缝连接，从而构建起满足航天可靠性、安全性需求的仪器设备管理网络。

1 系统组成及工作流程

信息终端采用定制平板电脑+射频识别+信息数据库的整体方案。

平板电脑的技术近年来快速提升，因其体积小、重量轻、功耗低和人机界面友好等优点成为现场便携式信息处理设备的最优选择[9]。但通用的、商品化的平板电脑不能符合航天保密安全的要求，因此本文进行了专用化设计，在继承平板电脑原有优点的基础上，实现了适合航天应用场景的定制平板电脑。

RFID技术适合仪器设备管理的特点包括：识别距离较长，目标可在非接触方式下识别；标签处理速度快；标签卡片环境适应性强，具有防水、耐油污、耐腐蚀等特点，能在恶劣条件下使用；标签安全性强，卡号不可重复更改，各扇区内部数据具有独立密码保护，不易被伪造和篡改。因此将RFID技术引入到仪器设备管理中[10]。

在以上硬件的基础上，信息终端建立定位信息、设备维护信息、标绘信息和通信信息数据库，通过对RFID识别获取的数据的检索、分析处理和存储，根据用户指令调用相应功能模块，实现对仪器设备的现场管理。

系统的工作流程如图1所示，具体工作内容包括：

1)将仪器设备信息输入信息终端数据库，为每个仪器设备分配一个RFID标签卡；

2)将电子RFID标签卡附于相应设备上；

3)信息终端通过RFID模块识别仪器设备上的电子标签，将数据传输给主板；

4)主板运行系统软件，对数据进行汇总处理并实现各种功能；

5)用户通过液晶触摸屏人机界面输入指令和查看结果；

6)信息终端通过对外接口与单位原有服务器互连，实现统一台账数据的下载和更新。

图1 信息终端工作原理图

2 硬件设计

信息终端采用加固型定制平板电脑结构，硬件由外壳、定制主板和标准部件组合实现，包括：壳体、主板、电子盘、LCD屏、RFID读卡器、RFID天线、电池以及电源适配器等部件，壳体内各电子部件间通过扁平电缆连接实现信号传输。

2.1 主板

主板是信息终端的控制核心。主板处理器选用Intel公司Bay Trail-I架构的Intel E3827处理器。这是一种适用于平板电脑的64位处理器，内置显卡、PCIE、SATA和USB等多种接口电路，在平板电脑中目前使用最为广泛、配套最为完善、对国产操作系统支持度最好；逻辑控制选用联阳半导体股份有限公司 (ITE Tech. Inc.)的IT8528E嵌入式可编程逻辑控制器，它是平板电脑开机、硬件检测、触摸和电池等控制的核心；千兆以太网网卡芯片选用Intel公司的IntelI210AT,它通过PCIE通道与处理器连接。

主板的功能如图2所示。

图2 主板功能框图

2.2 整机配置

通过主板扩展出多种对外接口，连接标准功能部件，构成信息终端硬件系统。系统配置如表1所示。

硬件系统经过在壳体结构件内的布局和安装后，形成信息终端整机。在满足部件和结构的散热、电磁屏蔽、机械强度和刚性等要素需求的前提下进

行了轻量化设计，整机性能高、重量轻且功耗低，满足了航天环境适应性要求。手持终端的整机性能指标如表2所示。

3 软件设计

3.1 系统软件方案

信息终端的软件运行于主板上，与硬件配合工作，实现对仪器设备的全局统筹和个体管理。软件分为核心层、中间层和应用层，结构如图3所示。

表1 信息终端整机配置表

表2 整机性能指标

核心层中操作系统采用Microsoft Windows 7 64bits中文操作系统；设备驱动主要包括芯片组、声卡、网卡和显卡等驱动；应用层为用户提供交互界面；中间层为应用层提供系统服务接口，包括应用于图形化界面设计的GDI接口、应用于RFID模块数据通信的RFID接口和应用于数据管理的SQL Server数据库。

应用软件开发时选用Microsoft Visual Studio集成开发环境，使用C/C++语言。

3.2 系统功能模块设计

基于航天仪器设备管理的需求分析，确定了5个系统功能模块。

1)设备管理模块

对仪器设备的基本信息(编号、名称、型号、检定日期和使用人等)、位置信息(区域、试验室和室内位置等)和指标信息进行管理。用户亦可对设备信息条目进行添加、删除和修改等工作。

图3 软件结构图

2)设备详情模块

软件通过RFID射频模块，对所在试验室内的RFID射频卡片进行扫描，并通过图标和设备列表的方式显示所有扫描到的设备。

3)设备定位模块

显示选中试验室的设备布局情况，帮助用户掌握试验室全局信息。

4)导入导出模块

对数据库中的设备信息进行导入、导出；与所内服务器的数据同步等工作。

5)点检报表模块

该模块提供2种报表：现场点检和设备巡检。用户按报表要求完成对试验现场和设备的安全检查。

3.3 人机交互界面

根据模块设计，用LabCVI开发出信息终端的人机交互界面包括登陆界面、设备管理界面、设备定位界面、设备详情界面、导入导出界面和设备巡检界面6个部分。

在登陆界面用户可在信息框中输入对应的信息，亦可使用绑定的RFID卡进行快捷登陆。登陆用户分为2类：管理员和普通用户。登陆后管理员和普通用户进入不同权限主界面，普通用户不能进行数据库操作和人员设置，保证了系统操作的安全性。

设备管理界面包括设备列表、设备添加、地图添加和设备名片4个子界面。设备列表界面如图4所示。该界面显示所有在数据库中建立条目的仪器设备，用户可通过关键字查找匹配的条目。

图4 设备列表界面

双击列表上的条目，弹出设备名片界面，上有设备简要介绍，包括：编号、名称、负责人和地点。用户可在设备名片界面上选择删除或修改按钮，完成删除或修改该条目的工作。

点击添加设备后，弹出设备添加界面，如图5所示。用户在此输入设备名称、编号等信息，添加设备图片；将射频卡放置在射频天线处，点击按钮，等待扫描的RFID卡编号显示在RFID文本框中；选择设备所在的试验室，在显示的地图区域点击设备所在位置；点击确认按钮，添加成功。

如果设备所在的位置在“使用地点”选项中不存在，点击按钮，弹出地图添加对话框，在对话框中的文本框中添加地图信息并上传地图图片。

在设备详情界面实时显示某试验室中信息终端的扫描结果。如扫描到数据库中的设备且位置正确，在地图上将显示绿色图标并在下方的设备列表中显示设备简要信息；如果扫描到存在数据库中但不属于本区域的设备则显示黑色图标，提醒用户设备位置出错。

在设备定位界面选择需要查看的试验室地图，在右侧的设备列表框中，将显示所有在该试验室的设备；点击列表框中的单条设备信息，系统将会在地图上显示图标指示该设备位置；点击显示所有设备，系统将在地图上显示多个图标指示所有设备位置。

在导入导出界面，用户通过上传和下载数据文件实现设备信息的数据交互。信息终端和服务器间通过以太网接口连接，用户在信息终端中存储设备信息的文件格式与服务器中相同，因此可以实现两者的无缝对接。

图5 设备添加界面

在点检报表界面，用户在报表对话框中选择每项信息的结果(合格、不合格)，等待所有项填写完成后刷卡确认。每位负责人都有与自己名字对应的RFID卡片，刷卡后软件自动在框中显示相应负责人的名字。这种机制明确了人员职责、控制了人员权限且保证了点检有效性。

4 结论

针对航天仪器设备管理传统管理方式中出现的问题，综合集成高性能平板电脑、RFID和数据库技术，研制并实现了一种手持式信息终端，研究了该信息终端的软、硬件架构，搭建了以定制主板为核心的硬件平台，设计并实现了基于数据库的应用软件。该终端与服务器一起，构成了高效可靠、不依赖无线网络的航天仪器设备管理系统。