智慧水务领域硬件设备 ID 管理系统的设计

引 言

在智慧水务领域，伴随着各种物联网设备及无线通信技术的快速发展，相应的智能硬件设备的种类也越来越多 [1-2]。但是此类设备的运行环境多数无法提供市电供电，采用电池供电且一般工作在低功耗模式 ；另一方面，此类设备的资源有限，对成本比较敏感，因此很多设备厂家直接将微控制器（Microcontroller Unit，MCU）内部的器件 ID 作为设备地址实现身份识别。虽然这种模式可以识别设备的唯一性，但是缺乏规律性与追溯性，不利于设备管控、生产管理与售后维护，无法大面积推广。与此形成鲜明对比的是，在现有同样数量庞大的移动终端中，其设备的 ID 早已普及，且具有全球唯一性，展现出其管控的便利性。

基于以上背景，有必要根据智慧领域硬件设备的特点， 设计适用于该类设备的 ID 管理系统。因此，本文在不增加硬件成本的前提下，利用设备的 FLASH 资源，结合嵌入式软件以及平台 ID 烧写管理软件，实现低成本的设备 ID 管理系统，该系统可将有规律性、可追溯性的唯一 ID 植入设备， 有效解决设备管控、生产管理及售后维护中的问题。

1 系统总体架构及原理

本文设计的设备 ID 管理系统总体架构如图 1所示，该系统主要由设备 ID管理服务器、用户电脑、通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）转串口设备、板级硬件设备组成。设备 ID管理服务器用于存放设备 ID数据库，以及部署管理平台实现设备 ID 的规则管理、权限管理、追溯管理，并提供应用接口给用户和其他管理系统。各个用户通过部署应用软件，采用互联网实现与服务器的 ID 数据库建立连接。板级硬件设备通过 USB 转串口设备与用户电脑建立连接，实现设备 ID 烧写软件与板级设备的交互，并将有规律性、可追溯性的 ID 下载到设备中，同时将结果反馈至服务器实现双向管理。

从图 1 可明显看出，本文系统基本采用通用设备，不需要额外开发新的硬件设备，通用性较强，只需要板级的硬件设备预留串口与 FLASH 资源即可，这两个硬件设备资源在目前的智慧水务领域基本是标配，所以该系统可在不增加硬件成本的情况下实现系统设计。

2 硬件设计

设备 ID 管理系统中，板级硬件设备是系统设计的核心内容。智慧水务领域的硬件设备多采用电池供电，通常须保持低功耗休眠模式，因此在烧写 ID 过程中需通过磁杆唤醒设备。设备唤醒后，MCU 通过通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口与 USB 转串口设备连接，该转接设备与电脑通过 USB 连接，从而实现 MCU 与电脑烧写软件之间的通信，进而可实现两者之间的协议及数据交换 [3]。考虑到很多设备采用的 MCU 资源有限，且后期有可能需要升级软件，所以将设备 ID 信息存储在外部 FLASH 可使系统具备更高的兼容性。板级设备硬件框图如图 2 所示。

3 软件设计

本节重点阐述设备 ID 管理的业务流程及设备 ID 规则，在此基础上给出设备 ID 管理的软件流程。其中，业务流程阐明系统实现设备 ID 管理功能的步骤，设备 ID 规则明确通信的编码规则。

3.1 业务流程

智慧水务领域硬件设备 ID 管理系统的业务流程如图 3 所示。首先用户通过烧写软件选择相应的产品参数（如产品线、设备类型等）。然后选择从服务器获取 ID 号段，服务器收到获取命令后从数据库提取未被使用的 ID 号段并下发到用户端，同时将这些号段锁定，防止重复下发。用户端获取成功后即可选择烧写设备 ID 号，设备收到烧写命令后对 ID 号进行鉴别，若设备本身无 ID 号且设备类型一致，则将该ID 烧写到外部 FLASH，并返回成功应答码，若失败（如设备ID 已存在、设备类型不对、设置失败等）则返回不同应答码。

当批量生产结束后，选择上传序列，将已烧写与未烧写的 ID 号段回传至服务器数据库，做相应的删除与释放工作， 从而实现 ID 号段的统一管理与资源最大化。

3.2 设 备 ID 规 则

智慧水务领域的硬件设备多采用电池供电，对能耗的开销非常敏感，而且多数设备采用无线通信方式。为了尽量减少无线通信带来的耗能，本文系统在保证工作正常的前提下尽量减小设备 ID 的长度。

本文设计的设备 ID 规则如图 4 所示，其包含厂家编码（1 B）、产品系列（1 B）、产品类型（1 B）、年（1 B）和序列号（3 B）共 7 B。

（1）厂家编码 ：实际设备可能存在不同厂家代工现象，为了后期可追溯，不同的厂家编码代表不同厂家。 

（2）产品系列、产品类型 ：由于智慧水务领域硬件设备系列种类较多，所以产品系列和产品类型用于区分不同系列不同类型的硬件设备，便于后期平台对设备进行管理。 

（3）年、序列号 ：年与序列号配合使用，实现设备 ID唯一性，最大可支持每年 100 万台某类型的设备。

通过上述编码规则可有效实现设备的云管控、售后管理及生产管理。

3.3 设备 ID 软件流程图

板级硬件设备进入设置状态后，一旦收到设备 ID 烧写指令，就会对数据进行解析、校验及匹配，然后判断设备 ID是否为空，若为空则将收到的 ID 烧写到设备的 FLASH 中，并返回成功应答码，否则返回错误应答码 [4-5]。设备 ID 软件流程如图 5 所示。

4 实用效果

本文设计的设备 ID 管理系统可应用于智慧水务领域硬件设备的生产管理、售后管理及设备管控等，大大提升这些环节的工作效率与质量。

4.1 生产管理

本文系统给不同类型的设备赋予了唯一的身份标识，该标识可体现此设备的生产信息（如由哪条生产线生产、设备类型、生产批次等），结合制造企业的生产过程执行系统（Manufacturing Execution System，MES）， 对应硬件设备的元器件厂家批次、生产人员、生产工艺等信息进行关联，有利于成品不良率的分析。此外，在做半成品检测时，设备 ID 已经生成，因此结合自动化工装，可自动生产对应信息，无需人员手工录入，从而提升了生产效率与产品质量。

4.2 售后管理

在智慧水务领域，硬件设备的数量基数较大且设备种类较多，因此给售后人员的设备维护工作造成了较大压力。通过引入设备 ID 管理系统，售后人员利用手持设备扫描外壳二维码或直接读取设备 ID，就可获取到相应的设备信息，并将售后信息导入售后系统。而售后系统与研发系统挂钩，研发人员将第一时间获取设备情况，并通过生产 MEX 系统调阅该设备相关生产信息，从而获取到完整的设备信息。在多维信息的支撑下，研发人员可迅速定位问题点，进而快速配合售后人员解决相关问题，从而有效降低售后维护成本，同时提高售后响应速度。

4.3 设备管控

通过硬件设备的 ID，设备管控平台有了抓力点，可对设备的运行状况进行全生命周期的管控与调度。智慧水务领域的设备基数大且种类多，在没有设备 ID 的情况下无法对数据快速筛选，通常都是发现一个，标记一个，筛选一个，当数据量大时工作效率很低。利用本文设计的设备 ID 管理系统，设备管理平台可根据相应的规则自动对数据进行过滤、分类和筛选，真正为大数据分析提供强有力的信息支撑。

5 结 语

在智慧水务领域，硬件设备数量基数大且种类多的特性给企业带来了管理上的难题。本文设计的设备 ID 管理系统在不增加硬件成本的前提下，通过修改硬件设备，软件配合现有硬件资源，即可高效完成设备 ID 管理，且该 ID 具有规律性、唯一性与可追溯性，利用其可打通研发设计、生产管理、售后维护及设备管控等环节的信息壁垒，使所有管理环节信息对称，从而提高产品质量、降低售后成本，并提升数据分析能力。