高校工程訓(xùn)練中心智能工具存儲柜

張勁東，李嘉輝，鄭可建，劉鵬宇

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222）

0 引言

隨著國家第十四個五年規(guī)劃及2035年遠景目標(biāo)綱要的通過，各地高校紛紛新建工程訓(xùn)練中心，旨在培養(yǎng)國家急需的技能型人才，為“鞏固壯大實體經(jīng)濟根基”貢獻力量。隨著技能教育的大力發(fā)展，工程訓(xùn)練中心實訓(xùn)區(qū)的工具使用率呈大幅增長態(tài)勢。相應(yīng)地，損壞率、丟失率也同樣大幅增長。如何有效的、快速的管理工具，防止工具的丟失成了許多高校當(dāng)務(wù)之急要解決的問題。本文研究的智能工具存儲柜，通過相關(guān)技術(shù)的融合解決了無法快速查找和低效管理工具和工具易丟失易損壞等問題，本項目具有良好的應(yīng)用前景。

1 總體設(shè)計

工具柜主要由機械結(jié)構(gòu)部分和電氣部分組成。

工具柜機械部分內(nèi)部傳動裝置預(yù)期采用同步帶傳動和螺旋傳動（絲杠傳動），經(jīng)過大量數(shù)據(jù)采集及其反復(fù)調(diào)試后，決定采用絲杠傳動裝置。

帶傳動是利用張緊在帶輪上的撓性帶進行傳遞動力的一種常用的機械類傳動。根據(jù)其原理的不同，帶傳動大致可分為兩種，一種為有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動的摩擦型帶傳動，另一種為靠帶與帶輪上的齒相互嚙合來傳動的同步帶傳動。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單，緩沖吸震，傳動較為平穩(wěn)，成本較為低廉，維護簡單等優(yōu)點。缺點為普通帶傳動傳動比不準(zhǔn)確，同步帶傳動雖然能保證準(zhǔn)確的傳動比，但在緩沖吸震方面較差，并且在高速運轉(zhuǎn)時有較大的噪聲，不符合本智能工具柜的設(shè)計理念。

螺旋傳動是利用螺桿和螺母之間的配合來將主動件回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為從動件的直線往復(fù)運動的一種常見的機械傳動，滾珠絲杠傳動是滾動螺旋傳動的一種，由滾珠，螺桿和螺母組成。滾珠絲杠傳動是精密儀器中最常用的傳動部件，滾珠絲杠傳動是智能工具柜中機械結(jié)構(gòu)的核心組成部分，它雖然和帶傳動相比成本較高，但其傳動精度和傳動平穩(wěn)性極高，因為工具柜中往往存放的是工程實訓(xùn)中所用的精密儀器，這對工具柜內(nèi)部傳動機構(gòu)具有較高的傳動平穩(wěn)性要求，否則易造成工具的損壞，經(jīng)過反復(fù)比較和測試后，遂決定采用絲杠傳動（見圖1）。

圖1

電氣部分采用STM32系列微型處理器做控制核心，搭配AC·220V-DC·12V開關(guān)電源、傳感器模塊、無線收發(fā)模塊、DGUS液晶觸摸屏、人臉識別模塊、L298N驅(qū)動模塊等外圍電路結(jié)合而成。使用OpenMV視覺模塊和OpenMV設(shè)計軟件 OpenMV-IDE。該視覺模塊以 STM32單片機為內(nèi)核，以 OpenMV3為圖像采集模塊，具有高分辨率、低功耗等優(yōu)點。 使用OpenMV-IDE， 實現(xiàn)了對圖像的采集及失真校正和圖像的處理及分析。工具柜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)集工具檢測、核心控制、余量顯示、機械動作四位一體，協(xié)同工作，準(zhǔn)確有效地檢測工具存取情況。

圖2

工具柜的存儲區(qū)采用3D打印模型，根據(jù)預(yù)先提供的3D模型圖紙，制作出PLA材料的工具存儲模具，樣例模具如圖3所示。每個工具存儲位都配置有傳感器模塊，通過外圍感知接口與傳感設(shè)備連接，可以感應(yīng)工具是否存儲、歸位。工具柜設(shè)計采用液晶顯示屏，通過液晶顯示器選擇功能菜單欄、監(jiān)控菜單欄，既可以快速選擇需要取出的工具，也可以便捷的查看工具柜的歸置情況。本工具柜柜體主要原材料采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼板制作,經(jīng)脫脂,除銹,磷化處理后,表面進行靜電粉末噴塑處理，既保證了柜體穩(wěn)定性、耐用度、美觀度，又保證了其承重強度。柜內(nèi)可自由分隔,標(biāo)準(zhǔn)配置分隔為2×2,即縱向1個分隔板,橫向1個分隔片,把柜體分為4格，可實現(xiàn)多種工具同時存儲。柜門采用標(biāo)準(zhǔn)有機玻璃，安全環(huán)保系數(shù)高，同時可以清晰地看到分類有序的各種工具。功能上，安全能力出眾，運行穩(wěn)定，故障率低，基本上可實現(xiàn)免維護或少維護，易于操作，特別適用于頻繁使用、快速使用的場合。設(shè)計增加實時監(jiān)控模式，即可以實時查看工具存儲情況，通過遠程無線傳輸方式傳送到控制中心的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中；對工具柜本體進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控及處理，可以使用戶實時觀測工具柜狀態(tài)。

圖3

2 設(shè)計原理

工具柜的控制系統(tǒng)為實時控制系統(tǒng)，需要核心控制器相比于普通控制器具有較強的處理能力、較高的處理速度和較低的響應(yīng)速度，才能滿足控制系統(tǒng)實時控制的要求。所以只有選擇能滿足要求的控制器才能更好地實現(xiàn)其控制功能。本設(shè)計具有單獨控制與聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中的微處理器采用英國ARM公司的32位單片機STM32FI03ZET6為控制核心。STM32FI03ZET6采用cortex-m3內(nèi)核，在不超頻的情況下時鐘頻率可達72MHz，僅FLASH存儲器容量就高達512KB，其包括電動機控制外圍設(shè)備以及USB全速接口和CAN接口，工作時具有低功率、低電壓、運行速度快等優(yōu)點，并且結(jié)合了實時功能，外圍設(shè)備和軟件兼容性為本系統(tǒng)的運行提供了良好的運行環(huán)境，高精度計時器、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、PWM定時器,標(biāo)準(zhǔn)和高級通訊接口能夠?qū)z像頭與傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行快速處理，并通過液晶顯示器顯示，增強了智能工具柜的整體性能，為使用者創(chuàng)造了便利。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

■3.1 硬件部分

工具存儲柜智能控制系統(tǒng)主要由人臉識別、電壓采樣、電流采樣、溫度采集、數(shù)據(jù)處理、電機驅(qū)動、聲音報警、液晶顯示模塊，8個模塊組成，所用各個模塊的接口設(shè)計如下：

(1)人臉識別模塊采用第三代OpenMV Cam采集并處理圖像數(shù)據(jù)，以檢測識別人臉面部信息。利用OpenMV攝像頭內(nèi)置Haar模板對通用對象進行檢測，并配有Eye Haar模板以及FrontalFace 模板來處理人臉信息，其中人臉檢測通過在圖像上使用的Haar Cascade特征檢測器來工作，人臉識別采用HQVGA和灰度圖，其作用可增強人臉識別效果。再通過STM32FI03ZET6的USART通信將識別到的面部信息發(fā)送給單片機。

(2)電壓采樣使用OPA2340運算放大器，該運算放大器針對低電壓、單電源工作進行了一定的優(yōu)化。其電壓采樣工作原理為：首先通過對衰減完成后的電壓信號進行電壓跟隨，利用STM32FI03ZET6內(nèi)部高精度A/D轉(zhuǎn)換器直接進行采樣。

(3)電流采樣使用INA122低功耗儀表放大器，工作特點具有精確、低噪聲地差分信號采集。對使用采樣電阻轉(zhuǎn)換后的信號進行放大，隨后直接使用STM32FI03ZET6內(nèi)部的參考源進行A/D采樣。

(4)溫度采集采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、抗干擾能力強和精度高的特點。通過一線通信接口發(fā)送采集到的實時溫度數(shù)據(jù)，微控制器采用I/O口模擬接收數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，DS18B20與微控制器連接時通過一條口線實現(xiàn)DS18B20與微控制器雙向通訊。

(5)數(shù)據(jù)處理模塊由信號采集電路、調(diào)理電路以及傳輸電路構(gòu)成。其中信號調(diào)理電路先使用儀表放大器實現(xiàn)信號的共模抑制和放大，然后使用二階巴特沃斯低通濾波器實現(xiàn)濾波功能，二階巴特沃斯低通濾波器具有階數(shù)低、數(shù)據(jù)量小、平滑濾波無超調(diào)的特點。其采集到的數(shù)據(jù)將采用ModBus通信的方式經(jīng)USB發(fā)送到上位機顯示。

(6)電機驅(qū)動模塊使用L298N專用驅(qū)動集成電路，具有控制兩個直流減速電機的功能，其電壓范圍6V-46V，提供2A的電流，并具有過熱自斷和反饋檢測功能。對微控制器發(fā)出的TTL控制信號進行放大，直接驅(qū)動負載電機工作。

(7)聲音報警模塊利用NE555芯片其具有體積小巧、重量輕便、可靠穩(wěn)定、操作電源范圍大、輸出端供給電流能力較強、計時精確度較高，溫度穩(wěn)定性較好的特點，其可搭建脈沖輸出電路，通過微控制器給NE555脈沖電路發(fā)送不同頻率的控制信號，電路即可輸出不同頻率的脈沖信號，從而實現(xiàn)不同效果的聲音報警效果。

(8)液晶顯示采用DGUS液晶觸摸屏，通過USART的方式使用STM32FI03ZET6對變量存儲器的代碼讀寫來實現(xiàn)人機界面的顯示，主要可進行的人機交互的功能有：①時間顯示、②一卡通操作、③二維碼操作、④人臉識別操作、⑤管理員模式共五部分功能。

■3.2 軟件部分

系統(tǒng)使用的軟件是控制系統(tǒng)的核心，它直接影響到了智能工具柜運行時的整體性能。本系統(tǒng)以STM32FI03ZET6單片機為核心進行軟件設(shè)計，整體的編寫語言為C語言，程序使用keil uvision5編程軟件制作，整個系統(tǒng)由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、人臉識別子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、電機驅(qū)動子程序、聲音報警子程序、液晶顯示子程序、電機驅(qū)動子程序等組成。系統(tǒng)整體運行框架采用主循環(huán)和定時器中斷相結(jié)合，在主循環(huán)中實現(xiàn)液晶顯示功能。通過定時器可對溫度等傳感器進行數(shù)據(jù)采集以及算法處理。并且通過對數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，實時觀測到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。用戶使用時，首先需要接通220V電源，等待設(shè)備進行各個模塊的上電初始化，主要有系統(tǒng)時鐘設(shè)置、定時器中斷、延時函數(shù)、人臉識別系統(tǒng)接口和DGUS液晶觸摸屏通訊接口連接等初始化。在初始化完成之后，主程序進入循環(huán)工作模式，并且顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。當(dāng)工具柜檢測到有用戶需要進行工具的存儲，首先提示用戶做出存取選擇，等待用戶自行選擇。待當(dāng)前工作流程結(jié)束之后，系統(tǒng)將會再次循環(huán)進行檢測，等待下一個用戶的指令。

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

圖4

4 分析與結(jié)論

適用于工程訓(xùn)練中心實訓(xùn)區(qū)的工具存儲柜，運用現(xiàn)代信息化技術(shù),為工具提供了合理的歸置場所，很大程度的改善過去傳統(tǒng)工具柜的局限性，使得工具柜具有了多樣化的功能。與目前市場傳統(tǒng)的工具柜相比擁有諸多的優(yōu)勢，通過對工具柜存放結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，在有效保護工具的同時又避免了工具經(jīng)常丟失的情況。經(jīng)過調(diào)試運行可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的各個功能模塊運行基本正常，實現(xiàn)了預(yù)期的工作目標(biāo)。下一步將盡快對系統(tǒng)各方面性能進行優(yōu)化，并在實際場所測試驗證其性能。