PE管道焊工身份管理识别系统设计

2018-06-29吕志刚宇文超朋鲁可心李亮亮史志军

自动化与仪表 2018年6期

吕志刚，宇文超朋，鲁可心，李亮亮，史志军

（1.西安工业大学电子信息工程学院，西安 710032；2.西安工业大学研究生院，西安 710032）

PE管道焊接质量受人为因素的影响，不能完全保证焊接质量[1]。实现对焊工身份的智慧判断，是提高PE管道焊接质量、构建智慧城市的重要保证。目前，国内大多数PE管道焊接设备没有加装身份管理识别系统，各别厂家仅实现了验证指纹开机功能。后者需要焊工到焊接现场进行指纹注册，效率极低，而且无法实现焊工身份的注册及综合管理功能。

本文设计的身份管理识别系统，是PE管道智慧焊接系统的子系统，能够完成指纹信息的注册、导入及识别等功能。通过指纹注册功能，实现上位机软件数据库管理的同时，完成指纹信息的U盘存储；通过指纹导入功能，将U盘中的指纹信息导入现场焊接设备；通过指纹识别系统，保证只有成功注册的焊工才能开启焊接设备，完成焊接工作。推广加装本身份管理识别系统的焊接设备，有助于提高PE管道的焊接质量。其中，使用U盘进行指纹信息的导入导出功能，避免了焊工去现场录入指纹信息，具有一定的应用创新。

1 系统工作原理

本系统由身份管理识别控制器（简称控制器）、专用U盘和上位机软件构成，具体的工作原理如下所述。首先，焊工需要到达指定的管理中心，借助上位机软件，通过管理中心的控制器完成指纹的注册工作。其次，通过上位机的导出功能，将指纹信息存储到专用U盘系统中。再次，将专用U盘携带至焊接现场，通过安装在焊机上的控制器完成指纹信息的导入工作。最后，在现场焊接前，焊工通过控制器完成身份验证，实现焊机电源控制同时，将焊机身份信息通过RS232接口输出，保证只有注册过的焊工才能开始焊接工作。系统工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理Fig.1 System working principle

2 控制器硬件设计

控制器硬件由CPU模块、指纹采集模块、U盘读写模块、数据存储模块、RS485通信模块、液晶显示模块、模式选择模块等构成，硬件框图如图2所示。

图2 硬件框图Fig.2 Hardware block diagram

2.1 CPU模块

硬件采用STM32F103C8，作为监控系统的CPU模块，它是ST旗下的一款常用的增强型微控制器[2]。该CPU的优越性体现在内存、存储器、电源的管理、功率消耗低（低功耗）、自带模数转换的功能、具有调试方便、计算简单、运行速度更快；ECOPACK的封装让STM32F103C8更具有优越性，在实际生产以及研发应用起着先导作用。

2.2 指纹采集模块

采用FPM10A模块作为指纹采集模块，完成指纹信息的录入及验证功能。该模块最多支持880枚指纹信息，硬件设计简单，其TXD引脚、RXD引脚直接与STM32的UART1的发送端和接收端相连[3]。指纹采集模块如图3所示。

通过串口命令来控制指纹模块采集指纹，在指纹开机时，通过指纹模块采集到的指纹信息和原本存在的指纹信息进行对比来确认是否有指纹信息。当指纹对比成功时，指纹模块会发送串口指令到主控芯片，然后主控芯片控制继电器来完成对焊机的开机控制。

图3 指纹模块Fig.3 Fingerprint module

2.3 U盘读写模块

上位机软件将注册的焊工指纹信息存储在U盘中，通过U盘读写模块将U盘指纹信息从U盘里读出来，便于主控制器进行焊工身份识别验证。采用CH376芯片完成U盘读写模块的设计[4]。

CH376芯片支持串口、并口、SPI口编程，考虑到本系统的资源利用情况，采用SPI接口与STM32进行通信。STM32有专用的SPI接口，与CH376硬件连接简单，通信速度快。D+与D-连接通用的USB接口，当进行U盘读写时，指示灯会不断闪烁。U盘读写模块如图4所示。

图4 U盘读写模块Fig.4 U disk read and write modules

2.4 数据存储模块

指纹数据的存储模块由FM24CL64芯片构成，用于存储已注册的指纹信息。每条指纹信息包含焊工编号、有效期等内容，用于指纹信息的确认。

FM24CL64是基于I2C总线的掉电可存储的E2PROM存储器，其容量为8 KB，掉电数据保存38年，对于出现异常掉电时存储运行参数至关重要，可无延时的写入，快速两线串行接口，总线频率可达1 MHz[5]。数据存储模块如图5所示。

图5 数据存储模块Fig.5 Data storage module

2.5 RS485通信模块

采用STM32内部集成的全双工UART2串行接口，外扩MAX485芯片，构成标准的RS485通信接口[5]。

在管理中心注册指纹时，通过该模块将采集到的指纹信息发送到PC机上的“指纹管理”软件上，实现指纹信息的U盘存储管理功能；在焊接现场验证指纹时，该模块与焊机数据接收端相连，将焊工的指纹信息传送给焊机。RS485通信模块如图6所示。

图6 RS485通信模块Fig.6 RS485 communication module

2.6 液晶显示模块

采用LCD12864作为液晶显示模块，用于指纹采集录入、注册及人员信息的显示。

LCD液晶模块采用动态刷新的方法根据输入指令显示相应的数据[6]。其中，将时间信息显示于LCD的第一行，人员信息显示在第二行与第三行，指纹信息是否注册存储是否成功显示于第四行。通过液晶模块，可以了解整个系统的运行情况以及指纹是否注册等。液晶显示模块如图7所示。

2.7 模式选择模块

本控制器有两大工作模式：指纹注册、指纹验证。前者用于生成指纹信息，在上位机备案的同时，通过U盘拷贝至现场控制器；后者用于现场焊工身份的判断，只有成功注册的焊工才能进行焊接工作。

图7 液晶显示模块Fig.7 LCD module

通过该模块，选择进入不同的工作模式。该模块硬件设计简单，由一个独立式自锁按键构成。当按键被按下时，进入指纹注册模式；当按键弹起时，进入指纹验证模式。

3 软件设计

3.1 控制器软件

控制器软件在Keil开发环境下进行编写，采用STM32库函数的编程方式，C编程语言实现模块化设计。主程序运行后，根据所需的工作模式，调用两个子程序：指纹验证子程序、指纹注册子程序，其流程如图8所示。

图8 下位机软件流程Fig.8 Program flow chart

3.2 上位机软件

上位机软件采用微软开发的Microsoft Visual Studio 2012开发工具，编写了基于串口通信的“指纹管理”软件，用于在电脑上实现指纹信息的采集录入及U盘存储管理[7]。通过正确配置串口数据连接下位机硬件，正确录入指纹信息，填写指纹信息相匹配的焊工信息，点击“录入指纹”按钮实现焊工的指纹信息与人员基本信息相结合，以便生成一条PE焊接系统中的专用信息。对已经注册的焊工指纹数据可根据“姓名”、“工号”、以及注册的时间长短即“有效日期”等条件进行相应查询工作。

建立SQL数据库存储焊工指纹信息与人员信息，便于操作人员对指纹信息与人员数据的保存、查询、统计、导出、删除等二次开发利用。PE管道智慧焊接系统-指纹管理器设计上位机界面如图9所示。