基于物联网的智能工具管理系统设计

曾庆志，李 鹏，邢 辉

（北京安达维尔智能技术有限公司，北京 101300）

0 引 言

由于国家对国有企业数字化转型政策要求，以及对航空航天行业可能损伤航空器的某种外来物质、碎屑或物体（Foreign Object Debris, FOD）的严格控制要求，工具管理在航空航天企业越来越重要。例如航空领域的飞机制造、修理行业涉及的工具种类多而且价格高昂，并且对多余物的管理要求极为严格。传统工具管理采用人工记账方式，效率低下，容易出错，工具丢失无法追溯；上下班高峰期存在排队借还等情况，借还工具还受管理员工作时段限制；工具借还不便，工具位置查找不便，无法进行精细化管理；工具盘点费时费力，无法快速实现账实比对；无法将工具管理相关信息与企业内部信息化系统联网。传统工具管理模式弊端凸显，为提高工具的智能化、信息化管理水平，需进行智能工具管理系统的建设。本文提出了一种基于物联网的智能工具管理系统，通过无线射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）实现工具的唯一标识、自动识别、搜寻定位，系统可实现无人自助借还，支持多人并行借还。智能工具管理系统包含智能工具库房、智能工具柜、智能工具车等系列化产品，通过软硬件系统实现智能化监控，数字化管理，无纸化办公，对工具进行全生命周期管理，并实现了联网管控[1-2]。

1 系统架构

智能工具管理系统包含软件系统和硬件系统，系统组成如图1所示。

图1 系统组成

软件系统包含服务器管理软件系统、自助终端软件系统、手持移动软件系统、智能工具柜软件系统、智能工具车软件系统。服务器管理软件系统主要起到维护和决策作用，面向对象为管理员和各级领导，对整个智能工具管理系统的所有业务数据、基础数据进行统一管理，实现报表、看板的展示，并实现和第三方系统的对接。自助终端软件系统面向对象为一线工人，主要用于日常操作，部署在工具库房的自助终端，用来执行业务操作，实现与现场硬件设备的集成和管控。手持移动软件系统主要用于工具的盘点和搜寻，配合自助终端的灵活使用可解决盘点效率低、工具搜索困难等问题，同时可提高用户体验。智能工具车软件系统为智能工具车的车载软件终端系统，管理工具车内部工具的借还操作面向需要移动作业的一线工人。智能工具柜管理系统主要管理智能工具柜内部的工具，实现借还操作和快速盘点，主要面对站位式作业的工人[3-4]。

硬件系统包含智能工具房、智能工具柜、智能工具车，其中智能工具房内集成的硬件设备及系统包含自助终端、货架智能指引系统、视频动态监控系统、RFID二次校验系统，以及智能门禁系统、智能语音系统、智能照明系统、温湿度监测系统、烟雾报警系统等[5]。

根据工具管理的使用场景和系统的实施、作业流程，将智能工具管理系统架构分为4个层级，分别为基础设施层、 数据层、应用层、展示层，系统架构如图2所示。

图2 系统架构

硬件设施层包含服务器、自助终端、PDA、RFID通道门、RFID标签、RFID天线、智能工具柜、智能工具车等，依托相关硬件，完成对工具唯一标识，实现自助借还，通过RFID通道门进行二次校验，操作数据信息存储在自助终端内并与服务器进行同步实时交互，PDA完成库房的定期盘点和搜寻定位工作[6]。

数据层包含数据接入、数据存储、数据分析三部分，实现数据全面采集、存储、分析，为系统应用层提供数据支撑。数据的来源分为：其他系统数据、本系统录入数据、设备采集数据，共三类数据来源；数据存储主要是将相关数据在数据库内进行分类存储；数据分析是通过对大量数据的采集、分析、计算，得到相关统计结果、趋势分析、决策依据。

应用层从功能和业务流程上进行设计开发，从数据层的数据集成平台获取所需数据。通过终端系统实现工具借用、工具归还、工具报修、工具报检、工具报废等自助操作，同时具备权限分配、预警管理、信息查询功能；手持系统主要应用在工具盘点和工具定位搜寻方面，配合终端系统完成移动作业；管理系统实现整体业务数据、基础数据的计算分析、统计查询、信息展示等。

展示层主要展示系统报警信息、趋势状态图、库存数据状态、设备状态、借还信息等，可向各级领导、仓库人员、供应商等相关人员直观、动态展示智能工具管理系统的数据统计分析情况[7]。

2 系统设计

2.1 硬件系统设计

智能工具管理系统的网络架构如图3所示。通过网口交换机组建局域网，智能工具通过库房借助TCP/IP将服务器、RFID通道门、门禁、I/O板卡、立式终端、台式终端、温湿度烟雾传感器、监控录像机连接，摄像头通过POE与监控录像机连接，PDA通过OTG与自助终端连接，库房看板通过HDMI与服务器连接。智能工具柜和智能工具车通过交换机接入局域网[8]。

图3 系统网络架构

通过立式终端和台式终端进行工具的借还业务操作，RFID通道门对进出门的人员和工具进行二次校验，服务器用来存储和管理数据，库房看板以动态图表形式展示统计分析的数据结果，PDA实现工具盘点和搜寻定位，门禁系统支持人脸、指纹等多种生物识别方式，对进入库房人员进行权限验证，I/O板卡和温湿度烟雾传感器进行相关数据采集，利用监控录像机和摄像头可实现库房内部全方位无死角监控。

2.2 软件系统设计

智能工具管理系统由多个子系统组成，各软件系统数据连接关系如图4所示。服务器管理软件系统与自助终端软件系统通过TCP/IP内部网线连接，实时同步；自助终端软件系统与手持移动软件系统通过OTG连接，实现离线同步，去掉无线模块，确保满足航空航天企业保密要求；智能工具柜软件系统、智能工具车软件系统在具备局域网络条件时，通过TCP/IP网络可将数据同步至服务器管理软件系统[9]。

图4 软件系统数据连接关系

服务器管理软件系统选用J2EE技术，采用SpringMVC三层结构进行应用系统的开发，系统为B/S架构。自助终端软件系统选用Winform+Devexpress技术，采用三层结构进行应用系统的开发，系统为C/S架构。手持移动软件系统使用Android Studio 开发工具，采用安卓原生MVP的三层架构进行应用开发，开发工具为Android Studio，开发语言为Java，数据库为SQLite。

服务器管理软件系统的程序逻辑架构如图5所示。

图5 服务器管理软件系统程序逻辑架构

（1）系统程序主要采用Spring框架，通过系统层次划分，明确系统安全性，实现智能化的管理平台。

（2）系统的安全机制由Context/Filter/DispatcherServlet控制，它们从应用服务器本身的应用服务环境确保系统不受外部服务攻击。

（3）系统运行流程由Mapping/反射器/ConfigManager/control.xml控制，实现系统灵活可配置的能力。

（4）业务处理逻辑由业务处理层和数据模型层组成。这两层实现组件化，便于系统管理逻辑关系。

（5）View（JSP）是系统的表现层，实现系统的管理界面风格和各功能页面。

智能工具管理系统功能主要包含系统管理、查询统计、数据分析、数据维护、业务管理五大类，详细功能架构如图6所示。

图6 服务器管理软件系统功能架构

2.3 数据交互设计

智能工具管理系统的交互设计如图7所示。服务器管理软件系统部署服务器数据库，自助终端软件系统部署本地数据库1，服务器管理软件系统与自助终端软件系统实现基础数据和业务数据同步，并通过导入导出的Excel与手持移动软件系统同步数据。手持移动软件系统部署本地数据库2，在与服务器断网离线情况下，自助终端软件系统和手持移动软件系统能够独立运行。智能工具柜软件系统可支持在线/离线与服务器管理软件系统同步，智能工具车回到智能工具房后，连接网线，通过TCP/IP与服务器管理软件系统定时同步。各系统均通过数据渲染、采集实现窗口展示，并最终与用户进行操作、展示交互[10]。

图7 智能工具管理系统交互设计

2.4 系统界面

通过对整体软件框架的搭建、软件功能设计、软件代码开发、软硬件接口开发、数据交互设计、UI设计，实现了智能工具管理系统的建设，看板界面、自助终端主界面、手持移动主界面分别如图8、图9、图10所示。

图8 看板界面

图9 自助终端主界面

图10 手持移动主界面

3 结 语

本文介绍了智能工具管理系统在航空航天企业的使用背景，以物联网技术为基础，设计智能工具管理系统，采用无人自助借还模式，支持多人并行借还，通过边缘计算实现智能预警、趋势分析、辅助决策建议等功能；能够实现工器具全生命周期管理，提高工器具管理的安全性，同时可提供与外部信息化系统对接的接口。智能工具管理系统广泛应用于各大主机厂、主机所等单位，以完善的功能、便捷的操作、高度的信息化、优良的产品质量和完善的售后服务，为航空航天行业的产品生产和维修保障提供了有力支撑。