高校工程訓(xùn)練中心智能工具存儲(chǔ)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(guó)家第十四個(gè)五年規(guī)劃及2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要的通過(guò)，各地高校紛紛新建工程訓(xùn)練中心，旨在培養(yǎng)國(guó)家急需的技能型人才，為“鞏固壯大實(shí)體經(jīng)濟(jì)根基”貢獻(xiàn)力量。隨著技能教育的大力發(fā)展，工程訓(xùn)練中心實(shí)訓(xùn)區(qū)的工具使用率呈大幅增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。相應(yīng)地，損壞率、丟失率也同樣大幅增長(zhǎng)。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(wèn)題。本文研究的智能工具存儲(chǔ)柜，通過(guò)相關(guān)技術(shù)的融合解決了無(wú)法快速查找和低效管理工具和工具易丟失易損壞等問(wèn)題，本項(xiàng)目具有良好的應(yīng)用前景。

1 總體設(shè)計(jì)

工具柜主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和電氣部分組成。

工具柜機(jī)械部分內(nèi)部傳動(dòng)裝置預(yù)期采用同步帶傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)（絲杠傳動(dòng)），經(jīng)過(guò)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(dòng)裝置。

帶傳動(dòng)是利用張緊在帶輪上的撓性帶進(jìn)行傳遞動(dòng)力的一種常用的機(jī)械類傳動(dòng)。根據(jù)其原理的不同，帶傳動(dòng)大致可分為兩種，一種為有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動(dòng)的摩擦型帶傳動(dòng)，另一種為靠帶與帶輪上的齒相互嚙合來(lái)傳動(dòng)的同步帶傳動(dòng)。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緩沖吸震，傳動(dòng)較為平穩(wěn)，成本較為低廉，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)為普通帶傳動(dòng)傳動(dòng)比不準(zhǔn)確，同步帶傳動(dòng)雖然能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，但在緩沖吸震方面較差，并且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有較大的噪聲，不符合本智能工具柜的設(shè)計(jì)理念。

螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母之間的配合來(lái)將主動(dòng)件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為從動(dòng)件的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一種常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)是滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的一種，由滾珠，螺桿和螺母組成。滾珠絲杠傳動(dòng)是精密儀器中最常用的傳動(dòng)部件，滾珠絲杠傳動(dòng)是智能工具柜中機(jī)械結(jié)構(gòu)的核心組成部分，它雖然和帶傳動(dòng)相比成本較高，但其傳動(dòng)精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性極高，因?yàn)楣ぞ吖裰型娣诺氖枪こ虒?shí)訓(xùn)中所用的精密儀器，這對(duì)工具柜內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有較高的傳動(dòng)平穩(wěn)性要求，否則易造成工具的損壞，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較和測(cè)試后，遂決定采用絲杠傳動(dòng)（見(jiàn)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(kāi)關(guān)電源、傳感器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、DGUS液晶觸摸屏、人臉識(shí)別模塊、L298N驅(qū)動(dòng)模塊等外圍電路結(jié)合而成。使用OpenMV視覺(jué)模塊和OpenMV設(shè)計(jì)軟件 OpenMV-IDE。該視覺(jué)模塊以 STM32單片機(jī)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(diǎn)。 使用OpenMV-IDE， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)、核心控制、余量顯示、機(jī)械動(dòng)作四位一體，協(xié)同工作，準(zhǔn)確有效地檢測(cè)工具存取情況。

圖2

工具柜的存儲(chǔ)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(chǔ)模具，樣例模具如圖3所示。每個(gè)工具存儲(chǔ)位都配置有傳感器模塊，通過(guò)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(chǔ)、歸位。工具柜設(shè)計(jì)采用液晶顯示屏，通過(guò)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(jìn)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(qiáng)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(gè)分隔板,橫向1個(gè)分隔片,把柜體分為4格，可實(shí)現(xiàn)多種工具同時(shí)存儲(chǔ)。柜門采用標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)玻璃，安全環(huán)保系數(shù)高，同時(shí)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(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，基本上可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)或少維護(hù)，易于操作，特別適用于頻繁使用、快速使用的場(chǎng)合。設(shè)計(jì)增加實(shí)時(shí)監(jiān)控模式，即可以實(shí)時(shí)查看工具存儲(chǔ)情況，通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸方式傳送到控制中心的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中；對(duì)工具柜本體進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控及處理，可以使用戶實(shí)時(shí)觀測(cè)工具柜狀態(tài)。

圖3

2 設(shè)計(jì)原理

工具柜的控制系統(tǒng)為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，需要核心控制器相比于普通控制器具有較強(qiáng)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)其控制功能。本設(shè)計(jì)具有單獨(dú)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(guó)ARM公司的32位單片機(jī)STM32FI03ZET6為控制核心。STM32FI03ZET6采用cortex-m3內(nèi)核，在不超頻的情況下時(shí)鐘頻率可達(dá)72MHz，僅FLASH存儲(chǔ)器容量就高達(dá)512KB，其包括電動(dòng)機(jī)控制外圍設(shè)備以及USB全速接口和CAN接口，工作時(shí)具有低功率、低電壓、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)合了實(shí)時(shí)功能，外圍設(shè)備和軟件兼容性為本系統(tǒng)的運(yùn)行提供了良好的運(yùn)行環(huán)境，高精度計(jì)時(shí)器、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、PWM定時(shí)器,標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)通訊接口能夠?qū)z像頭與傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，并通過(guò)液晶顯示器顯示，增強(qiáng)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(jì)方案

■3.1 硬件部分

工具存儲(chǔ)柜智能控制系統(tǒng)主要由人臉識(shí)別、電壓采樣、電流采樣、溫度采集、數(shù)據(jù)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、聲音報(bào)警、液晶顯示模塊，8個(gè)模塊組成，所用各個(gè)模塊的接口設(shè)計(jì)如下：

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

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

(3)電流采樣使用INA122低功耗儀表放大器，工作特點(diǎn)具有精確、低噪聲地差分信號(hào)采集。對(duì)使用采樣電阻轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行放大，隨后直接使用STM32FI03ZET6內(nèi)部的參考源進(jìn)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(qiáng)和精度高的特點(diǎn)。通過(guò)一線通信接口發(fā)送采集到的實(shí)時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DS18B20與微控制器連接時(shí)通過(guò)一條口線實(shí)現(xiàn)DS18B20與微控制器雙向通訊。

(5)數(shù)據(jù)處理模塊由信號(hào)采集電路、調(diào)理電路以及傳輸電路構(gòu)成。其中信號(hào)調(diào)理電路先使用儀表放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的共模抑制和放大，然后使用二階巴特沃斯低通濾波器實(shí)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(wú)超調(diào)的特點(diǎn)。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(jī)顯示。

(6)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用L298N專用驅(qū)動(dòng)集成電路，具有控制兩個(gè)直流減速電機(jī)的功能，其電壓范圍6V-46V，提供2A的電流，并具有過(guò)熱自斷和反饋檢測(cè)功能。對(duì)微控制器發(fā)出的TTL控制信號(hào)進(jìn)行放大，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)工作。

(7)聲音報(bào)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(qiáng)、計(jì)時(shí)精確度較高，溫度穩(wěn)定性較好的特點(diǎn)，其可搭建脈沖輸出電路，通過(guò)微控制器給NE555脈沖電路發(fā)送不同頻率的控制信號(hào)，電路即可輸出不同頻率的脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)不同效果的聲音報(bào)警效果。

(8)液晶顯示采用DGUS液晶觸摸屏，通過(guò)USART的方式使用STM32FI03ZET6對(duì)變量存儲(chǔ)器的代碼讀寫來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的顯示，主要可進(jìn)行的人機(jī)交互的功能有：①時(shí)間顯示、②一卡通操作、③二維碼操作、④人臉識(shí)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(yùn)行時(shí)的整體性能。本系統(tǒng)以STM32FI03ZET6單片機(jī)為核心進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，整體的編寫語(yǔ)言為C語(yǔ)言，程序使用keil uvision5編程軟件制作，整個(gè)系統(tǒng)由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、人臉識(shí)別子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、聲音報(bào)警子程序、液晶顯示子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序等組成。系統(tǒng)整體運(yùn)行框架采用主循環(huán)和定時(shí)器中斷相結(jié)合，在主循環(huán)中實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能。通過(guò)定時(shí)器可對(duì)溫度等傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及算法處理。并且通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)觀測(cè)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。用戶使用時(shí)，首先需要接通220V電源，等待設(shè)備進(jìn)行各個(gè)模塊的上電初始化，主要有系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、定時(shí)器中斷、延時(shí)函數(shù)、人臉識(shí)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(jìn)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(cè)到有用戶需要進(jìn)行工具的存儲(chǔ)，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(huì)再次循環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，等待下一個(gè)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(shí)訓(xùn)區(qū)的工具存儲(chǔ)柜，運(yùn)用現(xiàn)代信息化技術(shù),為工具提供了合理的歸置場(chǎng)所，很大程度的改善過(guò)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(chǎng)傳統(tǒng)的工具柜相比擁有諸多的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)工具柜存放結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，在有效保護(hù)工具的同時(shí)又避免了工具經(jīng)常丟失的情況。經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊運(yùn)行基本正常，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的工作目標(biāo)。下一步將盡快對(duì)系統(tǒng)各方面性能進(jìn)行優(yōu)化，并在實(shí)際場(chǎng)所測(cè)試驗(yàn)證其性能。