一種新型工具智能管理柜的設計與應用

國網天津武清公司 宋慶東 張曉青 王鳳林 李全友

電網公司一線班組工具、儀器、鑰匙等工器具多為人工保管，經常出現工具儀器丟失、忘拿、錯拿現象，造成工作效率降低和資產浪費。而工器具柜是在工器具管理中大量使用的一個標準裝備。但目前市場上常規的工器具柜只是解決了工器具分類擺放的問題，沒有解決工具借還的管理問題：借還信息缺失、工具位置狀態無法掌握、共享管理混亂，不能完美掌握工器具的動態。本文介紹一款新型工具智能管理柜的設計，其具備授權開鎖、開鎖信息記錄、柜內工具盤點三個功能，實現自動庫管。

1 設計需求和設計方案

1.1 設計需求

實現智能管理功能。本文設計目標是通過指紋傳感器采集指紋信息，小型單片機模擬芯片主控系統識別已錄入授權指紋并驅動電機打開電磁鎖；將開鎖信息通過串行通信，通過單片機生成開鎖記錄；通過改變檢測用RFID 射頻標簽與掃描天線距離來模擬貼了RFID 射頻標簽的工具的取走和歸還狀態，射頻處理器識別標簽位置[1]。

授權開鎖：采用指紋成像技術、芯片技術。通過指紋傳感器采集指紋信息，芯片識別已錄入授權指紋并驅動電機打開機械柜門鎖；開鎖信息記錄：采用串行通信技術、芯片技術。將開鎖信息通過串行通信、通過芯片生成開鎖記錄；柜內工具盤點：采用射頻識別技術。在各工具上加上RFID 射頻標簽，通過柜內的射頻掃描天線對標簽進行掃描，超高頻處理器識別工具位置是否在柜內。

試驗分析可行性和準確性。制作簡易的裝置模型，測試能否實現目標功能，進行100次取走標簽試驗，模擬裝置均成功識別標簽取走狀態并記錄下取用人員信息，準確率高達99%。簡易裝置模型實現了目標功能，證明目標可行、準確性高。

成本控制。常規工器具柜售價不高，新設計的工具智能管理柜所需材料均可采購或加工，可控制在市場可以接受的程度。

1.2 設計方案

工具智能管理柜可分為工具柜體、指紋傳感器、無線射頻檢測系統、通信模塊、芯片主機、電源模塊、顯示屏、門鎖機構等部分。

1.2.1 設計創新點

傳統的天線掃描模式為射頻天線用固定的功率28dBm 頻點上采用動態Q 算法循環讀取標簽的EPC 信息，與初始信息對比進行判定。但固定功率掃描的誤掃率高達8%左右。為了降低傳統標簽掃描的誤掃率，本文創新的提出了多功率盤點掃描法，讓射頻天線分別在四個不同盤點功率下進行盤點，綜合結果判定標簽位置，誤掃率降低到0.5%左右[2]。

1.2.2 設計要點

工具柜體外殼采用電鍍鋅鋼板，具有一定的堅固性和可以承載屏幕的可擴展性，更加耐腐蝕、更加堅固。指紋傳感器選擇體積更小、準確率更高、成本更低的光電指紋傳感器。門鎖機構選擇了閉鎖點位數更多、使用壽命更長且支持緊急解鎖的電機驅動的機械鎖方案。為了滿足能夠檢測柜內工具位置狀態、檢測準確度高、新增工具擴展性好等需求，RFID 標簽采用識別距離更遠、能覆蓋整個工具柜體的超高頻RFID 標簽。

射頻傳感器采用與標簽對應的M2型，支持更長的9米的讀取距離和更快的700張每秒的掃描速度。通過測試，天線掃描模式采用誤掃率更低的四功率掃描方案。通信模塊選擇了傳輸速率更快、丟包率更低、占用柜內體積更小、成本更低的串口通信方案。屏幕采用了反應更快、硬度更高、壽命更長的電容觸控屏。主機采用基于Linux 系統、處理速度更快且編程擴展性更好的059C 型主機等。

依據以上各部分方案分析和試驗進行總結討論，最終共同確定了最佳方案，如圖1所示。

圖1 工具智能管理柜最佳方案

2 設計應用

2020年8月至10月，將制作的工具智能管理柜應用于變電運維工作現場，進行效果確認。安裝電機驅動的機械門鎖，對門鎖機構進行上電測試并測量其指紋開鎖響應時間。經測試，開鎖響應時間平均為1.8s ＜2s，實現了授權開鎖功能。

圖2 變電運維工具智能管理柜設計圖與實物圖

將100枚超高頻RFID 標簽逐一安裝到需要管理的工具上，將標簽分為5組，分別模擬測試每一組標簽的識別距離，經測試標簽識別距離分別為8.6、7.8、8.2、8.5、7.9m，平均為8.1m ＞5m。開發并使用多功率天線掃描算法，將8組天線，每層兩組逐層安裝到柜內隔板上，編制多功率天線掃描軟件流程，模擬進行200次工具取還試驗，僅有1次標簽誤掃情況，誤掃率為0.5%＜1%。實現了開鎖信息記錄、柜內工具盤點功能。多功率掃描流程如下：開始-功率1掃描-記錄數據1-功率2掃描-記錄數據2-功率3掃描-記錄數據3-功率4掃描-記錄數據4-綜合數據1～4-結束。

圖3 工器具狀態界面與工具取還記錄圖

綜上所述，通過在試驗室和班組現場進行效果檢測，變電運維工具智能管理柜實現了授權開鎖、開鎖信息記錄、柜內工具盤點三個功能，能夠實現工具的智能化、科學、準確的管理，準確率高達99.7%，各功能協同配合良好，耦合度低，參數符合對策目標。實踐證明了本文設計的工具智能管理柜有效實現了工具的自動庫管功能，具有很大的實際意義。

3 結語

本文重點介紹了一款工具智能管理柜的設計，從研究市場需求到討論、制訂設計方案，詳細討論了設計細節和制造過程中的問題，有針對性地做了分析，提出了解決方案。成功研制出的工具智能管理柜，有效減少了工具丟失情況、縮短了工具取用時間，提升了班組效能，大大減少了因工具管理問題影響工作的情況，實踐證明本設計具有實際意義，可推廣至各行業工具管理、備品備件管理等領域，具有推廣的推廣價值。