智慧水務(wù)領(lǐng)域硬件設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

在智慧水務(wù)領(lǐng)域，伴隨著各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，相應(yīng)的智能硬件設(shè)備的種類也越來(lái)越多 [1-2]。但是此類設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境多數(shù)無(wú)法提供市電供電，采用電池供電且一般工作在低功耗模式 ；另一方面，此類設(shè)備的資源有限，對(duì)成本比較敏感，因此很多設(shè)備廠家直接將微控制器（Microcontroller Unit，MCU）內(nèi)部的器件 ID 作為設(shè)備地址實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。雖然這種模式可以識(shí)別設(shè)備的唯一性，但是缺乏規(guī)律性與追溯性，不利于設(shè)備管控、生產(chǎn)管理與售后維護(hù)，無(wú)法大面積推廣。與此形成鮮明對(duì)比的是，在現(xiàn)有同樣數(shù)量龐大的移動(dòng)終端中，其設(shè)備的 ID 早已普及，且具有全球唯一性，展現(xiàn)出其管控的便利性。

基于以上背景，有必要根據(jù)智慧領(lǐng)域硬件設(shè)備的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)適用于該類設(shè)備的 ID 管理系統(tǒng)。因此，本文在不增加硬件成本的前提下，利用設(shè)備的 FLASH 資源，結(jié)合嵌入式軟件以及平臺(tái) ID 燒寫管理軟件，實(shí)現(xiàn)低成本的設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將有規(guī)律性、可追溯性的唯一 ID 植入設(shè)備， 有效解決設(shè)備管控、生產(chǎn)管理及售后維護(hù)中的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及原理

本文設(shè)計(jì)的設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 1所示，該系統(tǒng)主要由設(shè)備 ID管理服務(wù)器、用戶電腦、通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）轉(zhuǎn)串口設(shè)備、板級(jí)硬件設(shè)備組成。設(shè)備 ID管理服務(wù)器用于存放設(shè)備 ID數(shù)據(jù)庫(kù)，以及部署管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備 ID 的規(guī)則管理、權(quán)限管理、追溯管理，并提供應(yīng)用接口給用戶和其他管理系統(tǒng)。各個(gè)用戶通過(guò)部署應(yīng)用軟件，采用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的 ID 數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接。板級(jí)硬件設(shè)備通過(guò) USB 轉(zhuǎn)串口設(shè)備與用戶電腦建立連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備 ID 燒寫軟件與板級(jí)設(shè)備的交互，并將有規(guī)律性、可追溯性的 ID 下載到設(shè)備中，同時(shí)將結(jié)果反饋至服務(wù)器實(shí)現(xiàn)雙向管理。

從圖 1 可明顯看出，本文系統(tǒng)基本采用通用設(shè)備，不需要額外開發(fā)新的硬件設(shè)備，通用性較強(qiáng)，只需要板級(jí)的硬件設(shè)備預(yù)留串口與 FLASH 資源即可，這兩個(gè)硬件設(shè)備資源在目前的智慧水務(wù)領(lǐng)域基本是標(biāo)配，所以該系統(tǒng)可在不增加硬件成本的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)中，板級(jí)硬件設(shè)備是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。智慧水務(wù)領(lǐng)域的硬件設(shè)備多采用電池供電，通常須保持低功耗休眠模式，因此在燒寫 ID 過(guò)程中需通過(guò)磁桿喚醒設(shè)備。設(shè)備喚醒后，MCU 通過(guò)通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口與 USB 轉(zhuǎn)串口設(shè)備連接，該轉(zhuǎn)接設(shè)備與電腦通過(guò) USB 連接，從而實(shí)現(xiàn) MCU 與電腦燒寫軟件之間的通信，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)兩者之間的協(xié)議及數(shù)據(jù)交換 [3]?？紤]到很多設(shè)備采用的 MCU 資源有限，且后期有可能需要升級(jí)軟件，所以將設(shè)備 ID 信息存儲(chǔ)在外部 FLASH 可使系統(tǒng)具備更高的兼容性。板級(jí)設(shè)備硬件框圖如圖 2 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本節(jié)重點(diǎn)闡述設(shè)備 ID 管理的業(yè)務(wù)流程及設(shè)備 ID 規(guī)則，在此基礎(chǔ)上給出設(shè)備 ID 管理的軟件流程。其中，業(yè)務(wù)流程闡明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備 ID 管理功能的步驟，設(shè)備 ID 規(guī)則明確通信的編碼規(guī)則。

3.1 業(yè)務(wù)流程

智慧水務(wù)領(lǐng)域硬件設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程如圖 3 所示。首先用戶通過(guò)燒寫軟件選擇相應(yīng)的產(chǎn)品參數(shù)（如產(chǎn)品線、設(shè)備類型等）。然后選擇從服務(wù)器獲取 ID 號(hào)段，服務(wù)器收到獲取命令后從數(shù)據(jù)庫(kù)提取未被使用的 ID 號(hào)段并下發(fā)到用戶端，同時(shí)將這些號(hào)段鎖定，防止重復(fù)下發(fā)。用戶端獲取成功后即可選擇燒寫設(shè)備 ID 號(hào)，設(shè)備收到燒寫命令后對(duì) ID 號(hào)進(jìn)行鑒別，若設(shè)備本身無(wú) ID 號(hào)且設(shè)備類型一致，則將該ID 燒寫到外部 FLASH，并返回成功應(yīng)答碼，若失敗（如設(shè)備ID 已存在、設(shè)備類型不對(duì)、設(shè)置失敗等）則返回不同應(yīng)答碼。

當(dāng)批量生產(chǎn)結(jié)束后，選擇上傳序列，將已燒寫與未燒寫的 ID 號(hào)段回傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，做相應(yīng)的刪除與釋放工作， 從而實(shí)現(xiàn) ID 號(hào)段的統(tǒng)一管理與資源最大化。

3.2 設(shè) 備 ID 規(guī) 則

智慧水務(wù)領(lǐng)域的硬件設(shè)備多采用電池供電，對(duì)能耗的開銷非常敏感，而且多數(shù)設(shè)備采用無(wú)線通信方式。為了盡量減少無(wú)線通信帶來(lái)的耗能，本文系統(tǒng)在保證工作正常的前提下盡量減小設(shè)備 ID 的長(zhǎng)度。

本文設(shè)計(jì)的設(shè)備 ID 規(guī)則如圖 4 所示，其包含廠家編碼（1 B）、產(chǎn)品系列（1 B）、產(chǎn)品類型（1 B）、年（1 B）和序列號(hào)（3 B）共 7 B。

（1）廠家編碼 ：實(shí)際設(shè)備可能存在不同廠家代工現(xiàn)象，為了后期可追溯，不同的廠家編碼代表不同廠家。 

（2）產(chǎn)品系列、產(chǎn)品類型 ：由于智慧水務(wù)領(lǐng)域硬件設(shè)備系列種類較多，所以產(chǎn)品系列和產(chǎn)品類型用于區(qū)分不同系列不同類型的硬件設(shè)備，便于后期平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。 

（3）年、序列號(hào) ：年與序列號(hào)配合使用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備 ID唯一性，最大可支持每年 100 萬(wàn)臺(tái)某類型的設(shè)備。

通過(guò)上述編碼規(guī)則可有效實(shí)現(xiàn)設(shè)備的云管控、售后管理及生產(chǎn)管理。

3.3 設(shè)備 ID 軟件流程圖

板級(jí)硬件設(shè)備進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)后，一旦收到設(shè)備 ID 燒寫指令，就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、校驗(yàn)及匹配，然后判斷設(shè)備 ID是否為空，若為空則將收到的 ID 燒寫到設(shè)備的 FLASH 中，并返回成功應(yīng)答碼，否則返回錯(cuò)誤應(yīng)答碼 [4-5]。設(shè)備 ID 軟件流程如圖 5 所示。

4 實(shí)用效果

本文設(shè)計(jì)的設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)可應(yīng)用于智慧水務(wù)領(lǐng)域硬件設(shè)備的生產(chǎn)管理、售后管理及設(shè)備管控等，大大提升這些環(huán)節(jié)的工作效率與質(zhì)量。

4.1 生產(chǎn)管理

本文系統(tǒng)給不同類型的設(shè)備賦予了唯一的身份標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)可體現(xiàn)此設(shè)備的生產(chǎn)信息（如由哪條生產(chǎn)線生產(chǎn)、設(shè)備類型、生產(chǎn)批次等），結(jié)合制造企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）， 對(duì)應(yīng)硬件設(shè)備的元器件廠家批次、生產(chǎn)人員、生產(chǎn)工藝等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，有利于成品不良率的分析。此外，在做半成品檢測(cè)時(shí)，設(shè)備 ID 已經(jīng)生成，因此結(jié)合自動(dòng)化工裝，可自動(dòng)生產(chǎn)對(duì)應(yīng)信息，無(wú)需人員手工錄入，從而提升了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

4.2 售后管理

在智慧水務(wù)領(lǐng)域，硬件設(shè)備的數(shù)量基數(shù)較大且設(shè)備種類較多，因此給售后人員的設(shè)備維護(hù)工作造成了較大壓力。通過(guò)引入設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)，售后人員利用手持設(shè)備掃描外殼二維碼或直接讀取設(shè)備 ID，就可獲取到相應(yīng)的設(shè)備信息，并將售后信息導(dǎo)入售后系統(tǒng)。而售后系統(tǒng)與研發(fā)系統(tǒng)掛鉤，研發(fā)人員將第一時(shí)間獲取設(shè)備情況，并通過(guò)生產(chǎn) MEX 系統(tǒng)調(diào)閱該設(shè)備相關(guān)生產(chǎn)信息，從而獲取到完整的設(shè)備信息。在多維信息的支撐下，研發(fā)人員可迅速定位問(wèn)題點(diǎn)，進(jìn)而快速配合售后人員解決相關(guān)問(wèn)題，從而有效降低售后維護(hù)成本，同時(shí)提高售后響應(yīng)速度。

4.3 設(shè)備管控

通過(guò)硬件設(shè)備的 ID，設(shè)備管控平臺(tái)有了抓力點(diǎn)，可對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行全生命周期的管控與調(diào)度。智慧水務(wù)領(lǐng)域的設(shè)備基數(shù)大且種類多，在沒有設(shè)備 ID 的情況下無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)快速篩選，通常都是發(fā)現(xiàn)一個(gè)，標(biāo)記一個(gè)，篩選一個(gè)，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時(shí)工作效率很低。利用本文設(shè)計(jì)的設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)，設(shè)備管理平臺(tái)可根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、分類和篩選，真正為大數(shù)據(jù)分析提供強(qiáng)有力的信息支撐。

5 結(jié) 語(yǔ)

在智慧水務(wù)領(lǐng)域，硬件設(shè)備數(shù)量基數(shù)大且種類多的特性給企業(yè)帶來(lái)了管理上的難題。本文設(shè)計(jì)的設(shè)備 ID 管理系統(tǒng)在不增加硬件成本的前提下，通過(guò)修改硬件設(shè)備，軟件配合現(xiàn)有硬件資源，即可高效完成設(shè)備 ID 管理，且該 ID 具有規(guī)律性、唯一性與可追溯性，利用其可打通研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、售后維護(hù)及設(shè)備管控等環(huán)節(jié)的信息壁壘，使所有管理環(huán)節(jié)信息對(duì)稱，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低售后成本，并提升數(shù)據(jù)分析能力。