摘要：在農(nóng)用工具維修過程中，需要保證農(nóng)用維修工具不遺漏丟失。目前，農(nóng)用維修工具普遍采用人工監(jiān)管方法，效率低下且浪費(fèi)人力、物力。針對農(nóng)用維修工具管理問題進(jìn)行研究并開發(fā)出一套智能農(nóng)用維修工具管理系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)使用物聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)技術(shù)，在維修工具表面貼上RFID標(biāo)簽，通過掃描識別維修工具上的標(biāo)簽可實(shí)現(xiàn)便捷獲取工具信息和管理工具。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用工具檢修;智能工具箱;管理系統(tǒng);嵌入式

中圖分類號：S23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020） 16-0145-04

D0I：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.033

21世紀(jì)以來，中國農(nóng)業(yè)得到迅速發(fā)展，創(chuàng)造現(xiàn)代化的農(nóng)用機(jī)械工具，農(nóng)用技術(shù)日益成熟。對于農(nóng)用機(jī)械維修和保養(yǎng)也隨之變得愈加重要，而在維修工作中，如何管理工具又是一個(gè)重點(diǎn)。目前，大部分農(nóng)用工具維修單位對維修工具的管理方式仍然采用純?nèi)斯す芾淼姆绞?，如傳統(tǒng)的三次清點(diǎn)工具方法，雖然降低了人為原因?qū)е聛G失工具的概率，但是丟失工具而發(fā)生的安全事故時(shí)有發(fā)生。因此，傳統(tǒng)的純?nèi)斯す芾矸绞揭巡辉龠m合中國高速發(fā)展的農(nóng)用機(jī)械維修業(yè)[1-3]。

由于農(nóng)用機(jī)械維修工作的特殊性，與其他維修工作相比，農(nóng)用機(jī)械的維修工作需要多種維修工具，因此，對于工具的管理、定位、查漏等十分重要。維修工具可分為大型維修工具和小型維修工具，無論是哪種工具皆要符合國家標(biāo)準(zhǔn)并周期性檢查工具是否符合工作要求。為保證能準(zhǔn)確監(jiān)管每一件工具，每件工具皆需配備一個(gè)獨(dú)一無二的ID以便維修單位能高效地管理這些工具[4-5]。當(dāng)結(jié)束維修工作后，維修工人需要準(zhǔn)確地清點(diǎn)工具數(shù)目并逐一核對，以保證工具沒有丟失，從而降低事故發(fā)生率[6]。

目前，已有少數(shù)農(nóng)用機(jī)械維修企業(yè)嘗試使用條形碼標(biāo)簽技術(shù)并應(yīng)用于管理方式上，但由于條形碼標(biāo)簽識別距離短且條目有限，很容易出現(xiàn)識別錯誤。同時(shí)，對于某些即將報(bào)廢的工具，維修單位并不能實(shí)時(shí)得知，導(dǎo)致經(jīng)常在維修工作中出現(xiàn)工具無法使用的情況[7-10]。因此，急需開發(fā)一種能自動清點(diǎn)農(nóng)用維修工具，防止工具丟失的智能工具箱。

1農(nóng)用工具智能維修管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 整體系統(tǒng)

農(nóng)用工具智能維修管理系統(tǒng)硬件采用STM32芯片作為智能工具箱控制核心;管理系統(tǒng)的服務(wù)器后端采用JAVA框架，手機(jī)前端使用微信小程序。智能工具箱管理系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 農(nóng)用工具智能維修管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能工具箱由5 V直流電源、STM32控制器主板、GPRS模塊、RFID讀卡器模塊、LCD顯示屏以及按鍵組成。農(nóng)用工具智能維修工具箱以TCP/IP協(xié)議接入無線公用通信網(wǎng)絡(luò)，與服務(wù)器后端通信。智能工具箱硬件框架如圖2所示。

2 農(nóng)用工具智能維修管理系統(tǒng)各模塊程序設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

本研究采用模塊化開發(fā)設(shè)計(jì)，每一個(gè)模塊都有其對應(yīng)的程序文件，以便修改和維護(hù)。主函數(shù)設(shè)計(jì)主要調(diào)用已開發(fā)好的模塊程序并封裝即可。主程序的文件是main.c和所有c文件的頭文件。main.c中主要分為程序初始化和程序主循環(huán)兩部分，流程如圖3所示。初始化程序初始化每個(gè)模塊，包括串行端口和中斷。程序主循環(huán)即本設(shè)計(jì)的核心。運(yùn)行邏輯主要分為四步：

1） 系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入正常工作階段。首先進(jìn)行身份驗(yàn)證，主要通過工具箱設(shè)置的賬號密碼登錄。

2） 登錄成功后，智能工具箱每30 s發(fā)送工具箱坐標(biāo)位置到服務(wù)器上。同時(shí)，將工具從倉庫中借出后需要在智能工具箱通過掃描錄入工具信息并告知服務(wù)器，當(dāng)錄入完成后即可將工具箱及工具帶出倉庫。

3） 到達(dá)工作地點(diǎn)后，需在工具箱辦理借出工具箱服務(wù)。歸還工具時(shí)辦理歸還工具箱工具服務(wù)，若借出工具數(shù)目與歸還工具數(shù)目不同，則無法進(jìn)行下一步操作，用戶可通過微信小程序查詢何種工具遺漏。

4） 檢查工具無誤后，用戶將工具箱帶回倉庫，逐一將辦理工具歸還倉庫手續(xù)，至此，主程序結(jié)束。

2.2 觸摸顯示屏模塊程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)程序代碼工程中在HARDWARE分組下添加了lcd.c、touch.c、ctiic.c、cott2001a.c、gt9147.c和ft5206.c，每個(gè)文件都有對應(yīng)的h頭文件。其中，lcd.c主要負(fù)責(zé)該模塊的顯示部分，其余c文件負(fù)責(zé)控觸摸屏的控制管理部分。

TFTLCD模塊顯示部分使用流程如圖4所示，該模塊顯示需要的相關(guān)步驟如下：

① 設(shè)置STM32F103ZET6與TFTLCD模塊相連。第一步是初始化連接的10端口以驅(qū)動LCD。使用的STM32F103ZET6芯片有一個(gè)FSMC接口，因此初始化主要集中在初始化和應(yīng)用FSMC接口上。

FSMC的全名是可變靜態(tài)內(nèi)存控制器，該接口支持PSRAM、SRAM、FLASH和其他存儲器。在本設(shè)計(jì)中使用TFTLCD模塊作為SRAM器件，端口連接由圖4所示。

② 初始化TFTLCD模塊。即模塊的硬復(fù)位和初始化序列。硬復(fù)位是一個(gè)復(fù)位電路，在上電瞬間與STM32F103最小電路共用，硬復(fù)位完成。初始化序列由一系列設(shè)定值寫入，如伽馬校驗(yàn)等，初始化序列通常由制造商提供，并且可以直接調(diào)用設(shè)計(jì)。

③函數(shù)顯示內(nèi)容。由于只能一次處理一個(gè)點(diǎn)，函數(shù)需要多次讀寫GRAM指令來完成復(fù)雜的圖案顯示。

觸摸控制部分采用的TFT觸摸屏為電阻觸摸屏，電阻式觸摸屏由電阻薄膜層和顯示表面組成。當(dāng)手指觸摸顯示屏表面時(shí)，電阻發(fā)生變化，在x軸和y軸兩個(gè)方向產(chǎn)生電位變化，產(chǎn)生信號。顯示屏控制器檢測到信號后，計(jì)算相對位置，然后根據(jù)位置運(yùn)行對應(yīng)的程序，這就是電阻式觸摸屏的工作原理。TP_READ_XY函數(shù)負(fù)責(zé)讀取觸摸屏控制器中產(chǎn)生信號的坐標(biāo)，即讀取坐標(biāo)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。連續(xù)調(diào)用兩次寄存器中數(shù)據(jù)并作相差比較，如果小于特定的值，該數(shù)據(jù)為真，極大提高觸摸屏的準(zhǔn)確性。tp_dev結(jié)構(gòu)體用于記錄管理觸摸屏信息，可直接調(diào)用結(jié)構(gòu)體中相關(guān)變量控制顯示屏，簡化了接口，提高了效率。

2.3 GPS/BD定位模塊程序設(shè)計(jì)

GPS/BD定位程序主要實(shí)現(xiàn)了 NMEA0183數(shù)據(jù)解析以及SkyTRAQ協(xié)議。NMEA0183數(shù)據(jù)解析部分使用簡單的字符分隔方法進(jìn)行解析。根據(jù)NMEA0183協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀都以‘ * 結(jié)尾，且‘，是傳輸數(shù)據(jù)幀中間不同數(shù)據(jù)的分隔符，這樣通過兩個(gè)符號來解析數(shù)據(jù)，并將結(jié)果保存在 nmea_msg 結(jié)構(gòu)體中。

SkyTRAQ協(xié)議主要負(fù)責(zé)控制端口輸入、輸出設(shè)置，在本設(shè)計(jì)中主要用于控制串口波特率、輸出脈沖寬度以及輸出頻率。

GPS/BD模塊流程如圖5所示，模塊上電后開始自檢和初始化，進(jìn)入正常工作后與衛(wèi)星聯(lián)系獲得經(jīng)緯度等信息，并通過串口傳輸數(shù)據(jù)至上位機(jī)，上位機(jī)接受數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析以及數(shù)據(jù)存儲。

2.4 RC522模塊程序設(shè)計(jì)

該模塊設(shè)計(jì)用于讀取工具上的電子標(biāo)簽UID號，主要程序文件位于rc522.c與rc522.h兩個(gè)文件中，包括初始化函數(shù)，讀寫R FID標(biāo)簽函數(shù)，設(shè)置工作模式函數(shù)等。其中核心函數(shù)為Request，該函數(shù)通過讀取RC522芯片中的數(shù)據(jù)寄存器，獲得天線掃描后得到的電子標(biāo)簽UID號，RC522模塊流程如圖6所示。

3 硬件系統(tǒng)檢測與分析

主要針對硬件進(jìn)行兩個(gè)測試，分別為標(biāo)簽與工具結(jié)合位置和系統(tǒng)天線設(shè)置問題。由于智能工具箱使用的是RC522射頻模塊和ATK-S1216F8-BD模塊，兩個(gè)模塊都是高度集成的模塊，具有較好的穩(wěn)定性。因此，電子標(biāo)簽的讀卡精確率和定位系統(tǒng)的精確性都不是影響該設(shè)計(jì)的主要因素，而主要影響因素分別是電子標(biāo)簽與工具結(jié)合的位置和定位系統(tǒng)天線安裝位置。軟件測試主要進(jìn)行極限發(fā)送標(biāo)簽信息，觀察服務(wù)器響應(yīng)速度和正確率。

3.1測試內(nèi)容

電子標(biāo)簽與工具結(jié)合的位置主要是金屬面或者是非金屬面，而天線存放位置主要是工具箱內(nèi)和工具箱外。硬件測試主要內(nèi)容：①電子標(biāo)簽與工具結(jié)合位置對系統(tǒng)識別正確率的影響;②天線安裝位置對系統(tǒng)識別正確率的影響。主要影響因素與分組如表1、表2所示。

3.2測試結(jié)果

本設(shè)計(jì)模擬維修過程中所進(jìn)行操作，并使用部分工具進(jìn)行測試。測試對影響農(nóng)用工具智能維修管理系統(tǒng)運(yùn)行的兩個(gè)主要因素進(jìn)行分組測試，硬件測試結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，電子標(biāo)簽與工具結(jié)合位置不是影響系統(tǒng)識別成功率的主要因素，天線的安裝位置才是主要影響因素。天線安放于箱外時(shí)系統(tǒng)識別成功率遠(yuǎn)高于安放于箱內(nèi)，一方面將天線重新安裝于箱外，另一方面將嘗試更換大功率天線，降低箱體本身干擾。

4小結(jié)

根據(jù)農(nóng)用工具維修單位對工具信息化管理的需求，完成了對農(nóng)用工具智能維修管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，工具箱嵌入式系統(tǒng)的功能符合了設(shè)計(jì)需求。

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收稿日期：2020-05-12

作者簡介：劉琨（1980-），女，江西南康人，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，（電話）13550172805（電子信箱）2625522918@qq.com 。