基于称重传感技术的智能工具管理系统设计

2023年12月29日发(作者：)

2021/03总第541期基于称重传感技术的智能工具管理系统设计齐保卫，刘 闯，李东利，陈良武，孟帅尧（中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南 郑州 450000）［摘要］随着盾构市场的多元化和盾构技术的多样化，其使用的工具种类和数量都在不断增加，如何对这些工具进行有效维护对项目来说尤为重要。针对这一系列问题，本文以盾构行业为基础设计开发了适用于各行业的智能工具管理系统，实现了对工具的多量化管理、智能存取、在线监控、数量计算、日志查询、工具使用频率查询等功能。结果表明，智能工具管理系统可以满足一线施工项目的需求，实现了工具的智能化、规范化、自动化管理。［关键词］盾构；工具管理；称重传感技术；智能存取［中图分类号］U455.43 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2021）03-0059-04Design of intelligent tool management system based on weighing sensor technologyQI Bao-wei，LIU Chuang，LI Dong-li，CHEN Liang-wu，MENG Shuai-yao盾构结构复杂，在拆机、装机、技术维护过程中所需工具种类众多，而且工具规格相差甚远，使用场合较为分散，工具借调频繁，不易维护，人工清点方式已经满足不了工具安全管控的需求［1-4］。针对工具难管控的现状，国内很多方案都是采用RFID技术来实现对工具的管控，但是施工现场环境恶劣，而且很多工具尺寸较小不适合张贴RFID电子标签。本文提出的基于称重传感技术的智能工具管理系统克服了这些难点。因特网传到后台。当网络断开时，上位机把存取记录进行存储，链接网络时再上传到后台管理模块。通过称重传感器来管控使用者所借还工具是否有误。智能工具管理系统结构示意图如图1所示。WANWANLAN后台管理服务器上位机控制中心1 智能工具管理系统方案智能工具管理系统立足于施工行业对工具智能管控的需求，实现操作简单、准确快速的智能存取等功能。智能工具管理系统主要由后台管理模块、网络数据传输模块、人机前端操作模块、称重传感识别模块、工具柜等五大系统组成［5］。智能工具柜根据工程建设“量身定制”，格口根据工具尺寸严格定制设计，将工具合理有效的存放。工具柜由副柜和主柜组成，每个格口装有锁板和称重传感器。上位机通过局域网与控制中心进行数据传输，后台管理通过服务器与上位机进行通信。存取操作时，打开主柜上的人机界面点击需要存取的工具名称和数量，控制中心接收到命令后打开对应的格口锁板，工具柜被打开且存取记录通过工具柜图1 系统结构示意图2 称重传感技术2.1 称重传感器特点称重传感器是应用金属材料受到拉力或张力时金属材料变形，电气阻抗增加；反之受到压缩时金属阻抗变小的原理做成的压力传感器。此类传感

DOI:10.14189/1981.2021.03.006［收稿日期］2020-12-16［通讯地址］齐保卫，河南省郑州市经济开发区南三环与芦医庙大街交叉口向南1公里路东中国中铁智能化高端装备产业园CONSTRUCTION MACHINERY 59

DESIGN & CALCULATION设计计算器可以将物理现象中的压力/拉力变换成电信号输出，通过快速计算、准确的称量，实现企业自动化管理和数据共享的发展需求。2.2 称重系统的组成一套完整的称重传感系统有称重传感器、称重模块（控制中心）、人机交互界面（上位机）三个核心部件组成（如图2所示）。上位机控制中心盾构工具盾构工具盾构工具盾构工具称重传感器称重传感器称重传感器称重传感器图2 称重传感系统图2.2.1 称重传感器称重传感器是整个工具箱系统精度的根基［6］。

本文所选的称重传感器为单点式平梁结构传感器，采用铝合金材料，不仅感知重力信号强，同时抗偏载能力和抗干扰能力也强，能够准确地将工具重量转换为电信号，如图3所示。GEF4-M激励+ （红） EXC+ （Red）信号+ （绿） Sig+ （Green）激励- （黑） EXC- （Black）DC信号+ （白） Sig- （White）屏蔽线 ShieldBA注：屏蔽线不与弹性体相连Note：Cable shield is not connected to element图3 称重传感器示意图2.2.2 称重模块称重模块对传感器传过来的电压模拟信号通过合适的放大电路进一步放大，通过滤波电路进行滤波除噪，使其达到预期的量值并获得正确的测试结果。微处理器将转换后得到的数字信号通过一定的算法得到每个格口工具的质量，同时将数据进行存储并发送给人机界面。2.2.3 人机交互界面人机交互界面集成化较高，将多个系统集合在60

建筑机械一起，美观大方，体验感较好，人员在使用过程中可以直观的看到每个物品的重量。称重系统接口较多，可以满足后续的扩展需求并且称重准确稳定。2.3 称重系统功能概述智能工具管理系统采用4线制高精度电阻应变式称重传感器，安装在工具柜每个格口里面。称重系统在工具柜没有存放工具时获得一个重量M1作为初始值，当放入工具之后称重传感器弹性体在工具重力下，表面的电阻应变片产生变形，从而输出不同的毫伏电压。控制中心根据称重传感器输出电压的大小来得出放入工具之后的重量M2，管理员在后台输入此时工具的数量A并设置好允许的误差为σ，此时称重系统就会按照公式计算出每个工具的重量M=（M2-M1）/A。在以后的使用过程中系统会以重量M为基础，自动计算此时工具柜拥有工具的数量。员工在进行操作时，输入借还的数量B。如果称重传感器测量的借还重量M3与系统计算的重量M4误差范围在-σ～σ之间，并且数量一致，则上位机提示借还成功；反之，上位机和后台都会出现报警，通知管理员进行检查，从而实现对工具是否多拿、少还、还错格口、归还工具是否损坏等一系列问题的管控。称重传感系统存取流程如图4

所示。3 硬件设计硬件系统设计是该系统不可或缺的一部分。智能工具管理系统的硬件主要包括电源、工控机、微处理模块、称重传感器、摄像系统等。硬件结构如图5所示。4 软件设计4.1 通信协议软件设计主要包括控制中心和上位机之间通信协议的设计、称重系统的设计、后台系统的设计。其中通信协议主要包括：（1）修改用户列表，实现给用户新增角色和添加权限。（2）修改工具柜列表，实现对工具柜信息的修改。

初始化后台管理软件主要功能工具柜为空，传感器记录工具柜的重量M1工具柜管理工异人使M2放入工具，传感器记录工具柜的重量员具常用管管报记录理理σA警后台输入此时工具的数量 和误差 ，计算2021/03总第541期一个工具的重量 =（ - ）/MM2M1A选择借还工具的名称和数量B得出系统计算出的借还重量M4 和实际称重的借还重量=M×BM3现信场息语，音并判断 - 的误差值M报提3M4是否在± 之间σ否警醒，管生理是产员报警借还工具成功提示是否继续借还工具否结束图4 称重传感系统存取流程称重传感器照明灯微身份识别模块处理摄像机器4G无按键模块上位线机路由器电源模块图5 硬件结构（3）修改工具列表，实现对工具信息的

修改。4.2 系统软件框架图4.2.1 智能工具管理系统后台管理软件智能工具管理系统采用.net语言开发后台管理软件，数据库采用Mysql可开放接口与其他软件平台对接。后台管理软件为http链接模式，需配备独立的域名和服务器管理。其主要功能如图6所示。图6 后台软件主要功能（1）工具柜管理：点击柜子管理，可查看柜子信息（工具柜内所存放工具的详细信息），可添加、修改工具内所存放工具的详细信息，绑定工具到固定格口。（2）工具管理：可添加工具，并对工具进行分类和定义。（3）人员管理：可添加、绑定用户，用户图片需在柜子端进行拍照留存，添加用户可同时设定权限。（4）使用记录：统计工具借出日期、归还日期、谁借的、目前工具状态等［5］。（5）异常报警：如果所借还的工具与原工具不符，系统将进行报警弹出提示，同时可以对报警信息进行记录，以便查询。4.2.2 移动客户端软件移动端采用Web系统设计，主要功能包括工具借还、借还记录、软件助手和用户管理。工具借还：查看工具柜内工具实时状态、预约工具。借还记录：统计操作人员借还工具时间、未归还信息等借还记录；软件助手：包含一些软件操作指导和常用工具使用说明。其主要功能如图7所示。4.2.3 智能工具柜前端管理软件智能工具柜前端管理软件采用C++开发。数据库采用Mysql将数据库安装至本地，使软件升级更方便。智能工具柜前端信息和后台管理软件信息同步，在断网的情况下，前端关于工具柜的相关信息将保存至本地，连网后同步至后台管理软件。用户存取工具时，打开上位机存取界面，可通过人脸识别或密码两种方式进行验证，采用两种模式大大提高了借/还工具的效率。智能工具柜同CONSTRUCTION MACHINERY 61是

移动端软件工具借还借还记录软件助手用户管理DESIGN & CALCULATION设计计算工具预约工具实时状态常新时具备语音提示，可以更直接提示用户到指定格口移归动待去存取工具。还端归工软还具件工日指具志导用工具使用说明用户信息编辑增删除用户信息6 结束语信息化和智能化是当今时代发展的大趋势，代表着先进生产力。本文针对施工现场工具种类繁多、工具摆放混乱、纸质版库管记录繁杂等现象，开发设计了智能工具管理系统，实现了工具的多量化管理、智能存取、在线监控、数量计算、日志查询、使用频率统计等功能，打造了库房的智能化管理，为后续施工项目实现无人库房提供了技术支持，为大数据技术的研究和应用带来更多的价值。该系统可用于川藏铁路建设，还可拓展至建筑施工、水利工程、铁路公路等各大施工项目的仓储

管理。［参考文献］图7 移动端功能图［1］ 李东利，孙伟，钟庆丰，等. 复合盾构土舱可视化实时监测系统研究［J］. 隧道建设（中英文），2018，218（09）：192-197.［2］ 张进宝，蒲晓波，李东利. 盾构机调试人员培养及管理的探索［J］. 科技风，2020.［3］ 孙振川，钱彤途，任颖莹，等. 隧道掘进机工程大数据管理平台关键技术及应用研究［J/OL］. 隧道建设（中英文），2020，40（06）：1-9.［4］ 王梦恕. 中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路［J］. 隧道建设，2014，34（003）：179-187.［5］ 谷一鸣. 基于RFID的无人库房管理系统的设计与实现［D］. 杭州：杭州电子科技大学，2017.［6］ 韩玫枝. 车载称重系统的设计与应用［D］. 南京：南京理工大学，2017.5 工程实例智能工具管理系统在杭州天目山“中铁758号”项目进行试验。选择天目山主要原因是“中铁758号”为直径13.46m的大泥水设备，几乎涵盖了大部分工具，且此项目要穿越城市地表内河和11条破碎带等区域，工作环境较为恶劣，测试的数据更加全面、更具有参考性。智能工具箱安装在隧道井口地面，方便人员存取工具。经过试验，此系统可以实现登录功能、工具出入库和对工具的多量化管理、在线监控、数量计算、日志查询、工具使用频率统计等功能。（上接第58页）结构性能，并通过试验与模拟分析对比验证了有限元计算的有效性。在此基础上，根据《欧洲钢结构设计规范》中的公式对实际工作中容易发生疲劳损坏的焊缝进行了验算，为起重机转台计算提供了一种简单方法。在产品开发阶段可用此方法进行验算，对提高产品整体可靠性有很大帮助。［S］.［2］FEM 1.001. 欧州起重机械设计规范［S］.［3］ 谢先富. 越野轮胎起重机转台的疲劳计算［J］. 建设机械技术与管理，2010（05）：88-90.［参考文献］［1］ FEM 5.004. 欧洲流动式起重机钢结构设计规范62

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