智能工具防遗失系统综合监控平台设计与实现

李养民 彭朝亮 翟旺勋

1. 郑万铁路客运专线河南有限责任公司 河南 郑州 450000；2. 通号工程局集团北京研究设计实验中心有限公司 北京 100070

目前，随着我国铁路建设的高速发展，施工现场的人员及设备工具等管理问题日益突出。尤其是新建线路与既有线路交叉施工的情况，涉及铁路的安全运营和运输保障，管理问题更是重中之重。高速铁路对检修使用的工具管理有着严格的要求，在《高速铁路信号作业指导意见》（运基信号[2011]379号）文件中严格规定了上道前及下道后必须将工具清点一致后，方可进行销记、交付使用。现在所使用的管理方式多靠人工进行清点、确认，由于使用工具种类与数量较多，检修作业多在夜间，视野不开阔，再加上人员素质参差不齐，所以容易造成清点错误，这既不利于在施工作业时间内提升效率，也不利于规范管理，危及高铁运营安全。

1 智能工具防遗失系统

1.1 系统构成

铁路施工智能工具防遗失跟踪监控系统，采用无线射频标签（RFID）技术和通信技术，可将电子标签佩戴在施工人员与携带工具上，RFID读卡器放置在进出场处，当施工人员进场和出场过程中，读卡器将施工人员携带的工具进行识别，同时将进出场核验数据上传到后台服务器，进行统一管理，实现施工人员及工具设备的精确盘点，高效规范。

整个系统由多个硬件模块共同组成，主要分为标签识别部分和上位机控制部分。标签识别部分，单片机STM32根据指令操作RFID控制芯片，通过天线识别电子标签，并将数据通过TCPIP协议传输到无线网络模块，上传至上位机，电池为硬件部分供电[1]。上位机控制部分，工控机通过无线网络模块，获取电子标签数据，进而对施工人员及工具的数据进行记录、统计查验，并在显示界面进行用户交互，整个流程标准化，电源为各个模块供电，系统结构示意图如图1所示。

图1 测试系统示意图

1.2 stm32f103zet6最小系统

本系统使用的stm32f103zet6芯片（f103），是ST公司基于Cortex-M3核心的32 位微控制器，LQFP-144封装。STM32f103芯片作为微处理器（MCU），功能是控制RFID传感器读取工具ID信息，并通过TCPIP协议将数据传输到上位机。STM32f103正常使用需要搭建最小系统，包括电源电路、晶振电路和复位电路等。电源电路是为微处理器供电，其工作电压为3.3V。电源电路通过LM1117芯片将5V转换为3.3V，调理滤波后为微处理器供电；电源电路。晶振电路是为微处理器提供时钟信号，选择8MHz的无源晶振，配合f103芯片内部锁相环PLL模块使能，可达到72MHz的主频，同时再分高速时钟和低速时钟，分配给外设模块。复位按键是为保证f103芯片的正常复位，低电平有效，输入芯片引脚，使系统到初始状态。

1.3 RC522芯片

本系统使用RC522芯片作为高频RFID控制模块的核心部分，该芯片需要配合STM32f103微处理器才能对电子标签进行读写操作。RC522芯片使用调制、解调技术，完成了与电子标签的信息传递，其芯片内部由数据发送单元、接收单元、数字处理等组成。发送器用来给射频卡发送信息，接收器用来处理应答器传回的数据，数字电路主要用来处理校验产生的错误信息。工作原理：电子标签处于天线识别范围内，接受RC522发出的射频信号后，通过其耦合元件获得能量，将存储在内部数据进行发送，RC522读取数据并解调处理。

RC522芯片硬件电路。芯片引脚与微处理器的IO口进行SPI通信，时钟由MCU产生。此程序在RC522芯片在出厂时封装SPI通信程序，每次工作前都会检测用于SPI通信的5个管脚来识别微处理器，检测MCU的接口类型。MCU通过MOSI将信息输送到射频模块，射频模块通过MISO将信息传回MCU[2]。

2 智能工具防遗失系统软件设计

2.1 软件架构

智能工具防遗失系统按照层次结构划分，可以分为四层结构，这四层分别为数据采集层、通信层、控制处理层和显示层。数据采集层，主要通过微处理器控制RFID模块采集电子标签，得到工具ID信息，并通过W5500以太网模块将数据传输到上位机，包括STM32f103芯片初始化模块、RFID芯片初始化与数据采集处理模块、W5500芯片初始化与数据存储模块和SPI数据通信协议模块；通信层用于上位机与微处理器的数据交互，包括TCP/IP通信初始化模块、通信数据发送模块和通信数据接收模块；控制处理层是上位机对工具信息的整理和存储，包括与RFID控制器进行指令上传模块、与RFID控制器进行数据下载模块、工具入库操作识别模块、工具出库操作识别模块和数据库存储模块；显示层作为用户的交互界面，用于操作系统和显示工具出入检情况，包含主用户界面操作与显示模块、主用户界面操作与显示模块、工具出库操作界面、出入库工具结果列表数据模块和导出历史工具结果模块。

2.2 上位机程序功能实现

上位机系统使用C#编程语言，进行电子标签信息的统计、分析处理和施工人员及工具的信息比对，并在界面进行交互操作。运行主程序，设置登陆人员，判断是否为管理人员，只有管理员具有管理工具信息、管理人员信息和配置系统设置等权限，进入主系统界面，通过TCPIP配置页寻找设备的IP及通讯的端口号，配置工作模式参数设置，然后填写施工人员和任务；选择检入工具选项，向RFID控制器发送指令，接收工具ID数组，进行将物品ID、携带人员、时间、检入地点录入数据库，并显示在检入界面，完成检入操作；施工结束后，进行检出工具，向RFID控制器发送指令，接收工具ID数组，同将物品ID、携带人员等信息与数据库检入工具对比，若完全检出则核查可走出施工区域，否则进行报警。系统将所有测试结果进行显示、分析和保存，支持工具信息检查结果查询、导出和管理[3]。

3 综合监控平台实现

施工作业进场前，施工人员携带嵌入电子标签的工具，经RFID射频检测识别后，系统核对检测施工人员信息和工具信息后，方可携带经授权许可的工具设备进场施工作业，管理系统将检测信息存储至后台数据库，以便后续出场进行识别核验。施工作业过程中，定位手环持续向后台服务器上报定位信息，监控施工人员现场情况。施工作业完成后，施工人员携带工具设备进行出场检测识别，系统将出场检测信息与后台服务器中进场检测信息进行对比，核对一致后方可出场，否则需进行排查与确认。当出现工具遗失时，根据施工人员的实时定位，及时有效地沿施工人员定位轨迹进行寻找，高效可靠。施工安全员课携带移动终端或手机登录监控平台，进行施工人员及智能工具设备可在后台管理系统上线监控，管理人员可在后台监控施工作业情况，后台管理人员可根据现场数据上报情况辅助施工人员回收工具设备。

上位机界面系统，实现对施工工具的检入检出显示、分析和保存，同时支持对工具结果历史查询、导出和管理。

（1）自动化施工进出场管理；

（2）施工人员及工具设备的精确盘点、高效核验；

（3）施工现场的后台记录、统计查验功能，流程标准化管理；

（4）工具设备遗失，现场告警提示；

（5）施工情况后台数据上报；

（6）施工人员及工具设备的实时监控与定位。

智能工具防遗失系统综合监控平台具有以下特点：

（1）采用RFID射频技术，可快速对施工人员和携带工具进行唯一识别，大大提高数据采集的速度。系统可以实现1s进行20个工具的同时检入检出操作。

（2）采用后台数据库统一管理，将多处进出场的数据统一上传，统一后台管理，方便进出场的同时检入和检出。施工过程中进行现场和后台的监控，包括工具信息、人员信息、各种借用与归还记录以及使用记录等，这些信息需要使用数据库存储起来，以便于后期使用。

（3）采用北斗定位设备，对人员进行定位和监控，方便人员管理和轨迹追踪，在工具遗失后及时定位[4]。

4 结束语

智能工具防遗失系统综合监控平台经过实验调试和试用，将原来进场和出场时间从原来的60分钟，缩短到10分钟，大大提高了效率。综合监控平台借助多种通信及检测方式，实现施工人员及工具设备的进出场核验，简便高效的盘点与记录工具，同时结合北斗定位系统，实现施工现场的人员的实时定位与综合监控，便于及时发现并排除运营安全隐患，可大大提升作业效率，防止遗失作业工具，便于第一时间发现及排除运营安全隐患。综合监控平台在京津列控改造项目武清段和京张高铁施工中应用，得到了施工企业和铁路局的好评和认可。