智能工具防遺失系統綜合監控平臺設計與實現

李養民 彭朝亮 翟旺勛

1. 鄭萬鐵路客運專線河南有限責任公司 河南 鄭州 450000；2. 通號工程局集團北京研究設計實驗中心有限公司 北京 100070

目前，隨著我國鐵路建設的高速發展，施工現場的人員及設備工具等管理問題日益突出。尤其是新建線路與既有線路交叉施工的情況，涉及鐵路的安全運營和運輸保障，管理問題更是重中之重。高速鐵路對檢修使用的工具管理有著嚴格的要求，在《高速鐵路信號作業指導意見》（運基信號[2011]379號）文件中嚴格規定了上道前及下道后必須將工具清點一致后，方可進行銷記、交付使用。現在所使用的管理方式多靠人工進行清點、確認，由于使用工具種類與數量較多，檢修作業多在夜間，視野不開闊，再加上人員素質參差不齊，所以容易造成清點錯誤，這既不利于在施工作業時間內提升效率，也不利于規范管理，危及高鐵運營安全。

1 智能工具防遺失系統

1.1 系統構成

鐵路施工智能工具防遺失跟蹤監控系統，采用無線射頻標簽（RFID）技術和通信技術，可將電子標簽佩戴在施工人員與攜帶工具上，RFID讀卡器放置在進出場處，當施工人員進場和出場過程中，讀卡器將施工人員攜帶的工具進行識別，同時將進出場核驗數據上傳到后臺服務器，進行統一管理，實現施工人員及工具設備的精確盤點，高效規范。

整個系統由多個硬件模塊共同組成，主要分為標簽識別部分和上位機控制部分。標簽識別部分，單片機STM32根據指令操作RFID控制芯片，通過天線識別電子標簽，并將數據通過TCPIP協議傳輸到無線網絡模塊，上傳至上位機，電池為硬件部分供電[1]。上位機控制部分，工控機通過無線網絡模塊，獲取電子標簽數據，進而對施工人員及工具的數據進行記錄、統計查驗，并在顯示界面進行用戶交互，整個流程標準化，電源為各個模塊供電，系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 測試系統示意圖

1.2 stm32f103zet6最小系統

本系統使用的stm32f103zet6芯片（f103），是ST公司基于Cortex-M3核心的32 位微控制器，LQFP-144封裝。STM32f103芯片作為微處理器（MCU），功能是控制RFID傳感器讀取工具ID信息，并通過TCPIP協議將數據傳輸到上位機。STM32f103正常使用需要搭建最小系統，包括電源電路、晶振電路和復位電路等。電源電路是為微處理器供電，其工作電壓為3.3V。電源電路通過LM1117芯片將5V轉換為3.3V，調理濾波后為微處理器供電；電源電路。晶振電路是為微處理器提供時鐘信號，選擇8MHz的無源晶振，配合f103芯片內部鎖相環PLL模塊使能，可達到72MHz的主頻，同時再分高速時鐘和低速時鐘，分配給外設模塊。復位按鍵是為保證f103芯片的正常復位，低電平有效，輸入芯片引腳，使系統到初始狀態。

1.3 RC522芯片

本系統使用RC522芯片作為高頻RFID控制模塊的核心部分，該芯片需要配合STM32f103微處理器才能對電子標簽進行讀寫操作。RC522芯片使用調制、解調技術，完成了與電子標簽的信息傳遞，其芯片內部由數據發送單元、接收單元、數字處理等組成。發送器用來給射頻卡發送信息，接收器用來處理應答器傳回的數據，數字電路主要用來處理校驗產生的錯誤信息。工作原理：電子標簽處于天線識別范圍內，接受RC522發出的射頻信號后，通過其耦合元件獲得能量，將存儲在內部數據進行發送，RC522讀取數據并解調處理。

RC522芯片硬件電路。芯片引腳與微處理器的IO口進行SPI通信，時鐘由MCU產生。此程序在RC522芯片在出廠時封裝SPI通信程序，每次工作前都會檢測用于SPI通信的5個管腳來識別微處理器，檢測MCU的接口類型。MCU通過MOSI將信息輸送到射頻模塊，射頻模塊通過MISO將信息傳回MCU[2]。

2 智能工具防遺失系統軟件設計

2.1 軟件架構

智能工具防遺失系統按照層次結構劃分，可以分為四層結構，這四層分別為數據采集層、通信層、控制處理層和顯示層。數據采集層，主要通過微處理器控制RFID模塊采集電子標簽，得到工具ID信息，并通過W5500以太網模塊將數據傳輸到上位機，包括STM32f103芯片初始化模塊、RFID芯片初始化與數據采集處理模塊、W5500芯片初始化與數據存儲模塊和SPI數據通信協議模塊；通信層用于上位機與微處理器的數據交互，包括TCP/IP通信初始化模塊、通信數據發送模塊和通信數據接收模塊；控制處理層是上位機對工具信息的整理和存儲，包括與RFID控制器進行指令上傳模塊、與RFID控制器進行數據下載模塊、工具入庫操作識別模塊、工具出庫操作識別模塊和數據庫存儲模塊；顯示層作為用戶的交互界面，用于操作系統和顯示工具出入檢情況，包含主用戶界面操作與顯示模塊、主用戶界面操作與顯示模塊、工具出庫操作界面、出入庫工具結果列表數據模塊和導出歷史工具結果模塊。

2.2 上位機程序功能實現

上位機系統使用C#編程語言，進行電子標簽信息的統計、分析處理和施工人員及工具的信息比對，并在界面進行交互操作。運行主程序，設置登陸人員，判斷是否為管理人員，只有管理員具有管理工具信息、管理人員信息和配置系統設置等權限，進入主系統界面，通過TCPIP配置頁尋找設備的IP及通訊的端口號，配置工作模式參數設置，然后填寫施工人員和任務；選擇檢入工具選項，向RFID控制器發送指令，接收工具ID數組，進行將物品ID、攜帶人員、時間、檢入地點錄入數據庫，并顯示在檢入界面，完成檢入操作；施工結束后，進行檢出工具，向RFID控制器發送指令，接收工具ID數組，同將物品ID、攜帶人員等信息與數據庫檢入工具對比，若完全檢出則核查可走出施工區域，否則進行報警。系統將所有測試結果進行顯示、分析和保存，支持工具信息檢查結果查詢、導出和管理[3]。

3 綜合監控平臺實現

施工作業進場前，施工人員攜帶嵌入電子標簽的工具，經RFID射頻檢測識別后，系統核對檢測施工人員信息和工具信息后，方可攜帶經授權許可的工具設備進場施工作業，管理系統將檢測信息存儲至后臺數據庫，以便后續出場進行識別核驗。施工作業過程中，定位手環持續向后臺服務器上報定位信息，監控施工人員現場情況。施工作業完成后，施工人員攜帶工具設備進行出場檢測識別，系統將出場檢測信息與后臺服務器中進場檢測信息進行對比，核對一致后方可出場，否則需進行排查與確認。當出現工具遺失時，根據施工人員的實時定位，及時有效地沿施工人員定位軌跡進行尋找，高效可靠。施工安全員課攜帶移動終端或手機登錄監控平臺，進行施工人員及智能工具設備可在后臺管理系統上線監控，管理人員可在后臺監控施工作業情況，后臺管理人員可根據現場數據上報情況輔助施工人員回收工具設備。

上位機界面系統，實現對施工工具的檢入檢出顯示、分析和保存，同時支持對工具結果歷史查詢、導出和管理。

（1）自動化施工進出場管理；

（2）施工人員及工具設備的精確盤點、高效核驗；

（3）施工現場的后臺記錄、統計查驗功能，流程標準化管理；

（4）工具設備遺失，現場告警提示；

（5）施工情況后臺數據上報；

（6）施工人員及工具設備的實時監控與定位。

智能工具防遺失系統綜合監控平臺具有以下特點：

（1）采用RFID射頻技術，可快速對施工人員和攜帶工具進行唯一識別，大大提高數據采集的速度。系統可以實現1s進行20個工具的同時檢入檢出操作。

（2）采用后臺數據庫統一管理，將多處進出場的數據統一上傳，統一后臺管理，方便進出場的同時檢入和檢出。施工過程中進行現場和后臺的監控，包括工具信息、人員信息、各種借用與歸還記錄以及使用記錄等，這些信息需要使用數據庫存儲起來，以便于后期使用。

（3）采用北斗定位設備，對人員進行定位和監控，方便人員管理和軌跡追蹤，在工具遺失后及時定位[4]。

4 結束語

智能工具防遺失系統綜合監控平臺經過實驗調試和試用，將原來進場和出場時間從原來的60分鐘，縮短到10分鐘，大大提高了效率。綜合監控平臺借助多種通信及檢測方式，實現施工人員及工具設備的進出場核驗，簡便高效的盤點與記錄工具，同時結合北斗定位系統，實現施工現場的人員的實時定位與綜合監控，便于及時發現并排除運營安全隱患，可大大提升作業效率，防止遺失作業工具，便于第一時間發現及排除運營安全隱患。綜合監控平臺在京津列控改造項目武清段和京張高鐵施工中應用，得到了施工企業和鐵路局的好評和認可。