農用工具智能維修嵌入式管理系統的設計與開發

摘要：在農用工具維修過程中，需要保證農用維修工具不遺漏丟失。目前，農用維修工具普遍采用人工監管方法，效率低下且浪費人力、物力。針對農用維修工具管理問題進行研究并開發出一套智能農用維修工具管理系統。結果表明，該系統使用物聯網的各項技術，在維修工具表面貼上RFID標簽，通過掃描識別維修工具上的標簽可實現便捷獲取工具信息和管理工具。

關鍵詞：農用工具檢修;智能工具箱;管理系統;嵌入式

中圖分類號：S23 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020） 16-0145-04

D0I：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.033

21世紀以來，中國農業得到迅速發展，創造現代化的農用機械工具，農用技術日益成熟。對于農用機械維修和保養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重點。目前，大部分農用工具維修單位對維修工具的管理方式仍然采用純人工管理的方式，如傳統的三次清點工具方法，雖然降低了人為原因導致丟失工具的概率，但是丟失工具而發生的安全事故時有發生。因此，傳統的純人工管理方式已不再適合中國高速發展的農用機械維修業[1-3]。

由于農用機械維修工作的特殊性，與其他維修工作相比，農用機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準并周期性檢查工具是否符合工作要求。為保證能準確監管每一件工具，每件工具皆需配備一個獨一無二的ID以便維修單位能高效地管理這些工具[4-5]。當結束維修工作后，維修工人需要準確地清點工具數目并逐一核對，以保證工具沒有丟失，從而降低事故發生率[6]。

目前，已有少數農用機械維修企業嘗試使用條形碼標簽技術并應用于管理方式上，但由于條形碼標簽識別距離短且條目有限，很容易出現識別錯誤。同時，對于某些即將報廢的工具，維修單位并不能實時得知，導致經常在維修工作中出現工具無法使用的情況[7-10]。因此，急需開發一種能自動清點農用維修工具，防止工具丟失的智能工具箱。

1農用工具智能維修管理系統整體設計

1.1 整體系統

農用工具智能維修管理系統硬件采用STM32芯片作為智能工具箱控制核心;管理系統的服務器后端采用JAVA框架，手機前端使用微信小程序。智能工具箱管理系統如圖1所示。

1.2 農用工具智能維修管理系統硬件設計

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。農用工具智能維修工具箱以TCP/IP協議接入無線公用通信網絡，與服務器后端通信。智能工具箱硬件框架如圖2所示。

2 農用工具智能維修管理系統各模塊程序設計

2.1 主程序設計

本研究采用模塊化開發設計，每一個模塊都有其對應的程序文件，以便修改和維護。主函數設計主要調用已開發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兩部分，流程如圖3所示。初始化程序初始化每個模塊，包括串行端口和中斷。程序主循環即本設計的核心。運行邏輯主要分為四步：

1） 系統初始化后，進入正常工作階段。首先進行身份驗證，主要通過工具箱設置的賬號密碼登錄。

2） 登錄成功后，智能工具箱每30 s發送工具箱坐標位置到服務器上。同時，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器，當錄入完成后即可將工具箱及工具帶出倉庫。

3） 到達工作地點后，需在工具箱辦理借出工具箱服務。歸還工具時辦理歸還工具箱工具服務，若借出工具數目與歸還工具數目不同，則無法進行下一步操作，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，至此，主程序結束。

2.2 觸摸顯示屏模塊程序設計

本設計程序代碼工程中在HARDWARE分組下添加了lcd.c、touch.c、ctiic.c、cott2001a.c、gt9147.c和ft5206.c，每個文件都有對應的h頭文件。其中，lcd.c主要負責該模塊的顯示部分，其余c文件負責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步驟如下：

① 設置STM32F103ZET6與TFTLCD模塊相連。第一步是初始化連接的10端口以驅動LCD。使用的STM32F103ZET6芯片有一個FSMC接口，因此初始化主要集中在初始化和應用FSMC接口上。

FSMC的全名是可變靜態內存控制器，該接口支持PSRAM、SRAM、FLASH和其他存儲器。在本設計中使用TFTLCD模塊作為SRAM器件，端口連接由圖4所示。

② 初始化TFTLCD模塊。即模塊的硬復位和初始化序列。硬復位是一個復位電路，在上電瞬間與STM32F103最小電路共用，硬復位完成。初始化序列由一系列設定值寫入，如伽馬校驗等，初始化序列通常由制造商提供，并且可以直接調用設計。

③函數顯示內容。由于只能一次處理一個點，函數需要多次讀寫GRAM指令來完成復雜的圖案顯示。

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。當手指觸摸顯示屏表面時，電阻發生變化，在x軸和y軸兩個方向產生電位變化，產生信號。顯示屏控制器檢測到信號后，計算相對位置，然后根據位置運行對應的程序，這就是電阻式觸摸屏的工作原理。TP_READ_XY函數負責讀取觸摸屏控制器中產生信號的坐標，即讀取坐標數據寄存器中的數據。連續調用兩次寄存器中數據并作相差比較，如果小于特定的值，該數據為真，極大提高觸摸屏的準確性。tp_dev結構體用于記錄管理觸摸屏信息，可直接調用結構體中相關變量控制顯示屏，簡化了接口，提高了效率。

2.3 GPS/BD定位模塊程序設計

GPS/BD定位程序主要實現了 NMEA0183數據解析以及SkyTRAQ協議。NMEA0183數據解析部分使用簡單的字符分隔方法進行解析。根據NMEA0183協議，傳輸的數據幀都以‘ * 結尾，且‘，是傳輸數據幀中間不同數據的分隔符，這樣通過兩個符號來解析數據，并將結果保存在 nmea_msg 結構體中。

SkyTRAQ協議主要負責控制端口輸入、輸出設置，在本設計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，進入正常工作后與衛星聯系獲得經緯度等信息，并通過串口傳輸數據至上位機，上位機接受數據產生中斷并進行數據解析以及數據存儲。

2.4 RC522模塊程序設計

該模塊設計用于讀取工具上的電子標簽UID號，主要程序文件位于rc522.c與rc522.h兩個文件中，包括初始化函數，讀寫R FID標簽函數，設置工作模式函數等。其中核心函數為Request，該函數通過讀取RC522芯片中的數據寄存器，獲得天線掃描后得到的電子標簽UID號，RC522模塊流程如圖6所示。

3 硬件系統檢測與分析

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

3.1測試內容

電子標簽與工具結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和工具箱外。硬件測試主要內容：①電子標簽與工具結合位置對系統識別正確率的影響;②天線安裝位置對系統識別正確率的影響。主要影響因素與分組如表1、表2所示。

3.2測試結果

本設計模擬維修過程中所進行操作，并使用部分工具進行測試。測試對影響農用工具智能維修管理系統運行的兩個主要因素進行分組測試，硬件測試結果如表3所示。從表3可以看出，電子標簽與工具結合位置不是影響系統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。天線安放于箱外時系統識別成功率遠高于安放于箱內，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

根據農用工具維修單位對工具信息化管理的需求，完成了對農用工具智能維修管理系統的設計與實現，工具箱嵌入式系統的功能符合了設計需求。

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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，研究方向為物聯網技術應用，（電話）13550172805（電子信箱）2625522918@qq.com 。