一种新型工具智能管理柜的设计与应用

国网天津武清公司 宋庆东 张晓青 王凤林 李全友

电网公司一线班组工具、仪器、钥匙等工器具多为人工保管，经常出现工具仪器丢失、忘拿、错拿现象，造成工作效率降低和资产浪费。而工器具柜是在工器具管理中大量使用的一个标准装备。但目前市场上常规的工器具柜只是解决了工器具分类摆放的问题，没有解决工具借还的管理问题：借还信息缺失、工具位置状态无法掌握、共享管理混乱，不能完美掌握工器具的动态。本文介绍一款新型工具智能管理柜的设计，其具备授权开锁、开锁信息记录、柜内工具盘点三个功能，实现自动库管。

1 设计需求和设计方案

1.1 设计需求

实现智能管理功能。本文设计目标是通过指纹传感器采集指纹信息，小型单片机模拟芯片主控系统识别已录入授权指纹并驱动电机打开电磁锁；将开锁信息通过串行通信，通过单片机生成开锁记录；通过改变检测用RFID 射频标签与扫描天线距离来模拟贴了RFID 射频标签的工具的取走和归还状态，射频处理器识别标签位置[1]。

授权开锁：采用指纹成像技术、芯片技术。通过指纹传感器采集指纹信息，芯片识别已录入授权指纹并驱动电机打开机械柜门锁；开锁信息记录：采用串行通信技术、芯片技术。将开锁信息通过串行通信、通过芯片生成开锁记录；柜内工具盘点：采用射频识别技术。在各工具上加上RFID 射频标签，通过柜内的射频扫描天线对标签进行扫描，超高频处理器识别工具位置是否在柜内。

试验分析可行性和准确性。制作简易的装置模型，测试能否实现目标功能，进行100次取走标签试验，模拟装置均成功识别标签取走状态并记录下取用人员信息，准确率高达99%。简易装置模型实现了目标功能，证明目标可行、准确性高。

成本控制。常规工器具柜售价不高，新设计的工具智能管理柜所需材料均可采购或加工，可控制在市场可以接受的程度。

1.2 设计方案

工具智能管理柜可分为工具柜体、指纹传感器、无线射频检测系统、通信模块、芯片主机、电源模块、显示屏、门锁机构等部分。

1.2.1 设计创新点

传统的天线扫描模式为射频天线用固定的功率28dBm 频点上采用动态Q 算法循环读取标签的EPC 信息，与初始信息对比进行判定。但固定功率扫描的误扫率高达8%左右。为了降低传统标签扫描的误扫率，本文创新的提出了多功率盘点扫描法，让射频天线分别在四个不同盘点功率下进行盘点，综合结果判定标签位置，误扫率降低到0.5%左右[2]。

1.2.2 设计要点

工具柜体外壳采用电镀锌钢板，具有一定的坚固性和可以承载屏幕的可扩展性，更加耐腐蚀、更加坚固。指纹传感器选择体积更小、准确率更高、成本更低的光电指纹传感器。门锁机构选择了闭锁点位数更多、使用寿命更长且支持紧急解锁的电机驱动的机械锁方案。为了满足能够检测柜内工具位置状态、检测准确度高、新增工具扩展性好等需求，RFID 标签采用识别距离更远、能覆盖整个工具柜体的超高频RFID 标签。

射频传感器采用与标签对应的M2型，支持更长的9米的读取距离和更快的700张每秒的扫描速度。通过测试，天线扫描模式采用误扫率更低的四功率扫描方案。通信模块选择了传输速率更快、丢包率更低、占用柜内体积更小、成本更低的串口通信方案。屏幕采用了反应更快、硬度更高、寿命更长的电容触控屏。主机采用基于Linux 系统、处理速度更快且编程扩展性更好的059C 型主机等。

依据以上各部分方案分析和试验进行总结讨论，最终共同确定了最佳方案，如图1所示。

图1 工具智能管理柜最佳方案

2 设计应用

2020年8月至10月，将制作的工具智能管理柜应用于变电运维工作现场，进行效果确认。安装电机驱动的机械门锁，对门锁机构进行上电测试并测量其指纹开锁响应时间。经测试，开锁响应时间平均为1.8s ＜2s，实现了授权开锁功能。

图2 变电运维工具智能管理柜设计图与实物图

将100枚超高频RFID 标签逐一安装到需要管理的工具上，将标签分为5组，分别模拟测试每一组标签的识别距离，经测试标签识别距离分别为8.6、7.8、8.2、8.5、7.9m，平均为8.1m ＞5m。开发并使用多功率天线扫描算法，将8组天线，每层两组逐层安装到柜内隔板上，编制多功率天线扫描软件流程，模拟进行200次工具取还试验，仅有1次标签误扫情况，误扫率为0.5%＜1%。实现了开锁信息记录、柜内工具盘点功能。多功率扫描流程如下：开始-功率1扫描-记录数据1-功率2扫描-记录数据2-功率3扫描-记录数据3-功率4扫描-记录数据4-综合数据1～4-结束。

图3 工器具状态界面与工具取还记录图

综上所述，通过在试验室和班组现场进行效果检测，变电运维工具智能管理柜实现了授权开锁、开锁信息记录、柜内工具盘点三个功能，能够实现工具的智能化、科学、准确的管理，准确率高达99.7%，各功能协同配合良好，耦合度低，参数符合对策目标。实践证明了本文设计的工具智能管理柜有效实现了工具的自动库管功能，具有很大的实际意义。

3 结语

本文重点介绍了一款工具智能管理柜的设计，从研究市场需求到讨论、制订设计方案，详细讨论了设计细节和制造过程中的问题，有针对性地做了分析，提出了解决方案。成功研制出的工具智能管理柜，有效减少了工具丢失情况、缩短了工具取用时间，提升了班组效能，大大减少了因工具管理问题影响工作的情况，实践证明本设计具有实际意义，可推广至各行业工具管理、备品备件管理等领域，具有推广的推广价值。