农用工具智能维修嵌入式管理系统的设计与开发

摘要：在农用工具维修过程中，需要保证农用维修工具不遗漏丢失。目前，农用维修工具普遍采用人工监管方法，效率低下且浪费人力、物力。针对农用维修工具管理问题进行研究并开发出一套智能农用维修工具管理系统。结果表明，该系统使用物联网的各项技术，在维修工具表面贴上RFID标签，通过扫描识别维修工具上的标签可实现便捷获取工具信息和管理工具。

关键词：农用工具检修;智能工具箱;管理系统;嵌入式

中图分类号：S23 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020） 16-0145-04

D0I：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.033

21世纪以来，中国农业得到迅速发展，创造现代化的农用机械工具，农用技术日益成熟。对于农用机械维修和保养也随之变得愈加重要，而在维修工作中，如何管理工具又是一个重点。目前，大部分农用工具维修单位对维修工具的管理方式仍然采用纯人工管理的方式，如传统的三次清点工具方法，虽然降低了人为原因导致丢失工具的概率，但是丢失工具而发生的安全事故时有发生。因此，传统的纯人工管理方式已不再适合中国高速发展的农用机械维修业[1-3]。

由于农用机械维修工作的特殊性，与其他维修工作相比，农用机械的维修工作需要多种维修工具，因此，对于工具的管理、定位、查漏等十分重要。维修工具可分为大型维修工具和小型维修工具，无论是哪种工具皆要符合国家标准并周期性检查工具是否符合工作要求。为保证能准确监管每一件工具，每件工具皆需配备一个独一无二的ID以便维修单位能高效地管理这些工具[4-5]。当结束维修工作后，维修工人需要准确地清点工具数目并逐一核对，以保证工具没有丢失，从而降低事故发生率[6]。

目前，已有少数农用机械维修企业尝试使用条形码标签技术并应用于管理方式上，但由于条形码标签识别距离短且条目有限，很容易出现识别错误。同时，对于某些即将报废的工具，维修单位并不能实时得知，导致经常在维修工作中出现工具无法使用的情况[7-10]。因此，急需开发一种能自动清点农用维修工具，防止工具丢失的智能工具箱。

1农用工具智能维修管理系统整体设计

1.1 整体系统

农用工具智能维修管理系统硬件采用STM32芯片作为智能工具箱控制核心;管理系统的服务器后端采用JAVA框架，手机前端使用微信小程序。智能工具箱管理系统如图1所示。

1.2 农用工具智能维修管理系统硬件设计

智能工具箱由5 V直流电源、STM32控制器主板、GPRS模块、RFID读卡器模块、LCD显示屏以及按键组成。农用工具智能维修工具箱以TCP/IP协议接入无线公用通信网络，与服务器后端通信。智能工具箱硬件框架如图2所示。

2 农用工具智能维修管理系统各模块程序设计

2.1 主程序设计

本研究采用模块化开发设计，每一个模块都有其对应的程序文件，以便修改和维护。主函数设计主要调用已开发好的模块程序并封装即可。主程序的文件是main.c和所有c文件的頭文件。main.c中主要分为程序初始化和程序主循环两部分，流程如图3所示。初始化程序初始化每个模块，包括串行端口和中断。程序主循环即本设计的核心。运行逻辑主要分为四步：

1） 系统初始化后，进入正常工作阶段。首先进行身份验证，主要通过工具箱设置的账号密码登录。

2） 登录成功后，智能工具箱每30 s发送工具箱坐标位置到服务器上。同时，将工具从仓库中借出后需要在智能工具箱通过扫描录入工具信息并告知服务器，当录入完成后即可将工具箱及工具带出仓库。

3） 到达工作地点后，需在工具箱办理借出工具箱服务。归还工具时办理归还工具箱工具服务，若借出工具数目与归还工具数目不同，则无法进行下一步操作，用户可通过微信小程序查询何种工具遗漏。

4） 检查工具无误后，用户将工具箱带回仓库，逐一将办理工具归还仓库手续，至此，主程序结束。

2.2 触摸显示屏模块程序设计

本设计程序代码工程中在HARDWARE分组下添加了lcd.c、touch.c、ctiic.c、cott2001a.c、gt9147.c和ft5206.c，每个文件都有对应的h头文件。其中，lcd.c主要负责该模块的显示部分，其余c文件负责控触摸屏的控制管理部分。

TFTLCD模块显示部分使用流程如图4所示，该模块显示需要的相关步骤如下：

① 设置STM32F103ZET6与TFTLCD模块相连。第一步是初始化连接的10端口以驱动LCD。使用的STM32F103ZET6芯片有一个FSMC接口，因此初始化主要集中在初始化和应用FSMC接口上。

FSMC的全名是可变静态内存控制器，该接口支持PSRAM、SRAM、FLASH和其他存储器。在本设计中使用TFTLCD模块作为SRAM器件，端口连接由图4所示。

② 初始化TFTLCD模块。即模块的硬复位和初始化序列。硬复位是一个复位电路，在上电瞬间与STM32F103最小电路共用，硬复位完成。初始化序列由一系列设定值写入，如伽马校验等，初始化序列通常由制造商提供，并且可以直接调用设计。

③函数显示内容。由于只能一次处理一个点，函数需要多次读写GRAM指令来完成复杂的图案显示。

触摸控制部分采用的TFT触摸屏为电阻触摸屏，电阻式触摸屏由电阻薄膜层和显示表面组成。当手指触摸显示屏表面时，电阻发生变化，在x轴和y轴两个方向产生电位变化，产生信号。显示屏控制器检测到信号后，计算相对位置，然后根据位置运行对应的程序，这就是电阻式触摸屏的工作原理。TP_READ_XY函数负责读取触摸屏控制器中产生信号的坐标，即读取坐标数据寄存器中的数据。连续调用两次寄存器中数据并作相差比较，如果小于特定的值，该数据为真，极大提高触摸屏的准确性。tp_dev结构体用于记录管理触摸屏信息，可直接调用结构体中相关变量控制显示屏，简化了接口，提高了效率。

2.3 GPS/BD定位模块程序设计

GPS/BD定位程序主要实现了 NMEA0183数据解析以及SkyTRAQ协议。NMEA0183数据解析部分使用简单的字符分隔方法进行解析。根据NMEA0183协议，传输的数据帧都以‘ * 结尾，且‘，是传输数据帧中间不同数据的分隔符，这样通过两个符号来解析数据，并将结果保存在 nmea_msg 结构体中。

SkyTRAQ协议主要负责控制端口输入、输出设置，在本设计中主要用于控制串口波特率、输出脉冲宽度以及输出频率。

GPS/BD模块流程如图5所示，模块上电后开始自检和初始化，进入正常工作后与卫星联系获得经纬度等信息，并通过串口传输数据至上位机，上位机接受数据产生中断并进行数据解析以及数据存储。

2.4 RC522模块程序设计

该模块设计用于读取工具上的电子标签UID号，主要程序文件位于rc522.c与rc522.h两个文件中，包括初始化函数，读写R FID标签函数，设置工作模式函数等。其中核心函数为Request，该函数通过读取RC522芯片中的数据寄存器，获得天线扫描后得到的电子标签UID号，RC522模块流程如图6所示。

3 硬件系统检测与分析

主要针对硬件进行两个测试，分别为标签与工具结合位置和系统天线设置问题。由于智能工具箱使用的是RC522射频模块和ATK-S1216F8-BD模块，两个模块都是高度集成的模块，具有较好的稳定性。因此，电子标签的读卡精确率和定位系统的精确性都不是影响该设计的主要因素，而主要影响因素分别是电子标签与工具结合的位置和定位系统天线安装位置。软件测试主要进行极限发送标签信息，观察服务器响应速度和正确率。

3.1测试内容

电子标签与工具结合的位置主要是金属面或者是非金属面，而天线存放位置主要是工具箱内和工具箱外。硬件测试主要内容：①电子标签与工具结合位置对系统识别正确率的影响;②天线安装位置对系统识别正确率的影响。主要影响因素与分组如表1、表2所示。

3.2测试结果

本设计模拟维修过程中所进行操作，并使用部分工具进行测试。测试对影响农用工具智能维修管理系统运行的两个主要因素进行分组测试，硬件测试结果如表3所示。从表3可以看出，電子标签与工具结合位置不是影响系统识别成功率的主要因素，天线的安装位置才是主要影响因素。天线安放于箱外时系统识别成功率远高于安放于箱内，一方面将天线重新安装于箱外，另一方面将尝试更换大功率天线，降低箱体本身干扰。

4小结

根据农用工具维修单位对工具信息化管理的需求，完成了对农用工具智能维修管理系统的设计与实现，工具箱嵌入式系统的功能符合了设计需求。

参考文献：

[1]刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2013.

[2]周正洪.云计算和物联网[M].北京：清华大学出版社，2011.

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[5]马本骥，纪兴峰.基于物联网技术的智能盆栽管理系统的研究与设计[J].安徽农业科学，2019，47（3）：248-250.

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[7]巴音查汗，安鹏.基于嵌入式及RFID物联网技术的智慧校园系统设计与实现[J].现代电子技术，2017，40（16）：63-65，68.

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[10]李政，刘钊，孟思彤.面向物联网的RFID技术在仓储管理系统中的应用[J].科技风，2017（11 ）：82.

收稿日期：2020-05-12

作者简介：刘琨（1980-），女，江西南康人，副教授，博士研究生，研究方向为物联网技术应用，（电话）13550172805（电子信箱）2625522918@qq.com 。