PE管道焊工身份管理識別系統設計

呂志剛 ，宇文超朋，魯可心，李亮亮，史志軍

（1.西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，西安 710032；2.西安工業(yè)大學 研究生院，西安 710032）

PE管道焊接質量受人為因素的影響，不能完全保證焊接質量[1]。實現對焊工身份的智慧判斷，是提高PE管道焊接質量、構建智慧城市的重要保證。目前，國內大多數PE管道焊接設備沒有加裝身份管理識別系統，各別廠家僅實現了驗證指紋開機功能。后者需要焊工到焊接現場進行指紋注冊，效率極低，而且無法實現焊工身份的注冊及綜合管理功能。

本文設計的身份管理識別系統，是PE管道智慧焊接系統的子系統，能夠完成指紋信息的注冊、導入及識別等功能。通過指紋注冊功能，實現上位機軟件數據庫管理的同時，完成指紋信息的U盤存儲；通過指紋導入功能，將U盤中的指紋信息導入現場焊接設備；通過指紋識別系統，保證只有成功注冊的焊工才能開啟焊接設備，完成焊接工作。推廣加裝本身份管理識別系統的焊接設備，有助于提高PE管道的焊接質量。其中，使用U盤進行指紋信息的導入導出功能，避免了焊工去現場錄入指紋信息，具有一定的應用創(chuàng)新。

1 系統工作原理

本系統由身份管理識別控制器（簡稱控制器）、專用U盤和上位機軟件構成，具體的工作原理如下所述。首先，焊工需要到達指定的管理中心，借助上位機軟件，通過管理中心的控制器完成指紋的注冊工作。其次，通過上位機的導出功能，將指紋信息存儲到專用U盤系統中。再次，將專用U盤攜帶至焊接現場，通過安裝在焊機上的控制器完成指紋信息的導入工作。最后，在現場焊接前，焊工通過控制器完成身份驗證，實現焊機電源控制同時，將焊機身份信息通過RS232接口輸出，保證只有注冊過的焊工才能開始焊接工作。系統工作原理如圖1所示。

圖1 系統工作原理Fig.1 System working principle

2 控制器硬件設計

控制器硬件由CPU模塊、指紋采集模塊、U盤讀寫模塊、數據存儲模塊、RS485通信模塊、液晶顯示模塊、模式選擇模塊等構成，硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram

2.1 CPU模塊

硬件采用STM32F103C8，作為監(jiān)控系統的CPU模塊，它是ST旗下的一款常用的增強型微控制器[2]。該CPU的優(yōu)越性體現在內存、存儲器、電源的管理、功率消耗低（低功耗）、自帶模數轉換的功能、具有調試方便、計算簡單、運行速度更快；ECOPACK的封裝讓STM32F103C8更具有優(yōu)越性，在實際生產以及研發(fā)應用起著先導作用。

2.2 指紋采集模塊

采用FPM10A模塊作為指紋采集模塊，完成指紋信息的錄入及驗證功能。該模塊最多支持880枚指紋信息，硬件設計簡單，其TXD引腳、RXD引腳直接與STM32的UART1的發(fā)送端和接收端相連[3]。指紋采集模塊如圖3所示。

通過串口命令來控制指紋模塊采集指紋，在指紋開機時，通過指紋模塊采集到的指紋信息和原本存在的指紋信息進行對比來確認是否有指紋信息。當指紋對比成功時，指紋模塊會發(fā)送串口指令到主控芯片，然后主控芯片控制繼電器來完成對焊機的開機控制。

圖3 指紋模塊Fig.3 Fingerprint module

2.3 U盤讀寫模塊

上位機軟件將注冊的焊工指紋信息存儲在U盤中，通過U盤讀寫模塊將U盤指紋信息從U盤里讀出來，便于主控制器進行焊工身份識別驗證。采用CH376芯片完成U盤讀寫模塊的設計[4]。

CH376芯片支持串口、并口、SPI口編程，考慮到本系統的資源利用情況，采用SPI接口與STM32進行通信。STM32有專用的SPI接口，與CH376硬件連接簡單，通信速度快。D+與D-連接通用的USB接口，當進行U盤讀寫時，指示燈會不斷閃爍。U盤讀寫模塊如圖4所示。

圖4 U盤讀寫模塊Fig.4 U disk read and write modules

2.4 數據存儲模塊

指紋數據的存儲模塊由FM24CL64芯片構成，用于存儲已注冊的指紋信息。每條指紋信息包含焊工編號、有效期等內容，用于指紋信息的確認。

FM24CL64是基于I2C總線的掉電可存儲的E2PROM存儲器，其容量為8 KB，掉電數據保存38年，對于出現異常掉電時存儲運行參數至關重要，可無延時的寫入，快速兩線串行接口，總線頻率可達1 MHz[5]。數據存儲模塊如圖5所示。

圖5 數據存儲模塊Fig.5 Data storage module

2.5 RS485通信模塊

采用STM32內部集成的全雙工UART2串行接口，外擴MAX485芯片，構成標準的RS485通信接口[5]。

在管理中心注冊指紋時，通過該模塊將采集到的指紋信息發(fā)送到PC機上的“指紋管理”軟件上，實現指紋信息的U盤存儲管理功能；在焊接現場驗證指紋時，該模塊與焊機數據接收端相連，將焊工的指紋信息傳送給焊機。RS485通信模塊如圖6所示。

圖6 RS485通信模塊Fig.6 RS485 communication module

2.6 液晶顯示模塊

采用LCD12864作為液晶顯示模塊，用于指紋采集錄入、注冊及人員信息的顯示。

LCD液晶模塊采用動態(tài)刷新的方法根據輸入指令顯示相應的數據[6]。其中，將時間信息顯示于LCD的第一行，人員信息顯示在第二行與第三行，指紋信息是否注冊存儲是否成功顯示于第四行。通過液晶模塊，可以了解整個系統的運行情況以及指紋是否注冊等。液晶顯示模塊如圖7所示。

2.7 模式選擇模塊

本控制器有兩大工作模式：指紋注冊、指紋驗證。前者用于生成指紋信息，在上位機備案的同時，通過U盤拷貝至現場控制器；后者用于現場焊工身份的判斷，只有成功注冊的焊工才能進行焊接工作。

圖7 液晶顯示模塊Fig.7 LCD module

通過該模塊，選擇進入不同的工作模式。該模塊硬件設計簡單，由一個獨立式自鎖按鍵構成。當按鍵被按下時，進入指紋注冊模式；當按鍵彈起時，進入指紋驗證模式。

3 軟件設計

3.1 控制器軟件

控制器軟件在Keil開發(fā)環(huán)境下進行編寫，采用STM32庫函數的編程方式，C編程語言實現模塊化設計。主程序運行后，根據所需的工作模式，調用兩個子程序：指紋驗證子程序、指紋注冊子程序，其流程如圖8所示。

圖8 下位機軟件流程Fig.8 Program flow chart

3.2 上位機軟件

上位機軟件采用微軟開發(fā)的Microsoft Visual Studio 2012開發(fā)工具，編寫了基于串口通信的“指紋管理”軟件，用于在電腦上實現指紋信息的采集錄入及U盤存儲管理[7]。通過正確配置串口數據連接下位機硬件，正確錄入指紋信息，填寫指紋信息相匹配的焊工信息，點擊“錄入指紋”按鈕實現焊工的指紋信息與人員基本信息相結合，以便生成一條PE焊接系統中的專用信息。對已經注冊的焊工指紋數據可根據“姓名”、“工號”、以及注冊的時間長短即“有效日期”等條件進行相應查詢工作。

建立SQL數據庫存儲焊工指紋信息與人員信息，便于操作人員對指紋信息與人員數據的保存、查詢、統計、導出、刪除等二次開發(fā)利用。PE管道智慧焊接系統-指紋管理器設計上位機界面如圖9所示。

圖9 上位機軟件界面Fig.9 PC software interface

4 結語

本文設計的PE管道焊工身份管理識別系統，將焊工的指紋信息與人員基本信息相結合，生成一條PE焊接系統中的專用信息。實現焊工指紋信息的采集錄入，注冊及驗證功能。是實現PE管道焊接責任到人的重要保障，是提高焊接質量、構建智慧城市的重要保證。本系統已經成功應用在PE管道焊接一線，具有良好的推廣價值。

[1] 李劍春．PE燃氣管道焊接施工質量管理與控制策略探究[J]．科技與創(chuàng)新，2016（15）：45-46．

[2] 陳輝云，王松杰，趙偉雄．基于STM32的智能WIFI萬用表設計[J]．工業(yè)儀表與自動化裝置，2017（2）：116-118．

[3] 申冰冰，沈杰，沈慶，等．基于指紋的考場身份自動識別系統設[J]．微型機與應用，2016，35（14）：55-57．

[4] 范歆琦，吳夢露，王宇俊，等．基于CH376的格式化存儲高鐵電纜溫度檢測系統[J]．儀表技術與傳感器，2017（9）：76-79．

[5] 鄒家懿，朱曉明．鐵電存儲器FM24CL64與TMS320C5509在數字信號處理中的配合應用[J]．電子元器件應用，2007，9（2）：29-31．

[6] 黃海宏，王海欣．液晶顯示漢字的字模提取新方法[J]．液晶與顯示，2005，20（4）：346-349

[7] 張海峰，董志．基于VS2010的永磁同步電機優(yōu)化設計與分析[J]．微電機，2017，50（10）：6-11．■