隨著工業4.0蓬勃發展，工具機產業的技術越來越成熟，周邊產業的經營模式也逐漸起了極大的變化。目前在工具機產業中，刀具為大量使用的耗材之一，導致物料管理成為工具機廠商耗費大量人力與物力的工作項目。因此，智慧販賣機相關產品的開發與設計成為解決相關問題的首要解決方案。本文所提出的應用於工具機刀具管理之空中下載技術(Over-the-Air Technology, OTA)智慧販賣機中，不僅具備多種智慧感測模組，如QR-Code與RFID讀取器，以利辨識購買者、工單資訊及刀具類型，還可透過OTA技術遠端更新刀具的庫存閥值或是型號。而此智慧販賣機在虛實整合的工業4.0中，不僅提高加工的稼動率，也提升整體工具機刀具管理效能。
在傳統機械加工的過程中，購買刀具的成本約占總體成本的4%。但後面延伸的刀具選擇、倉儲與管理等相關成本可達購買成本的4倍，所以減少相關成本能夠有效達成降低成本的目的。刀具管理須根據實際需求改善功能，以達最佳的管理效果。在傳統機械發展邁入工業4.0的精密機械之際，數位化、資訊化與智慧化也是未來精密機械的發展目標。
工業4.0智慧製造中，進行刀具管理的好處包括優化刀具庫存管理、減少機台閒置時間、提升系統彈性、提升製造系統中刀具的使用率、優化刀具選擇、回報刀具狀態及壽命等。
此外，在自動化及提高產能的趨勢下，廠商不僅要減少加工時間，也須提升刀具的利用率。因此，刀具管理須要兼顧多方面考量，其中包含減少刀具轉換時間、掌握刀具使用狀態、精準計算刀具流入刀具庫的速度，以及預先準備刀具、控制使用刀具、最大化刀具的使用壽命、透過調整更換刀具的頻率來減少製造時間、優化訂單排序、提升製造精度。換言之，刀具管理是中小型生產製造的重要因素之一。
此外，也有研究透過有線或無線網路建立刀具管理系統，並依據常見的刀具應用流程，發展出使用者權限設定、刀具管理、刀具庫存警示及資料庫備份等功能，進而提升刀具管理人員的操作效率。
刀具庫整合販賣機的販售方式慢慢成為趨勢之一，有些公司已經陸續導入相關產品的開發。但這類型的產品尚無法連接工具機廠商的機連網，其預期效益也因此打折。刀具販賣機可透過模糊理論或是人工智慧(AI)進行分析與判斷，以期提供設置智慧販賣機營運的評估與分析。
對於應用OTA進行相關韌體或是應用程式更新的安全考量方面，目前的OTA函式庫多是檢查更新檔案的完整性，仍缺乏相關驗證流程，因此容易遭受駭客攻擊。而透過SHA1雜湊(Hash)函式進行遠端驗證來拓展原有的函式庫，可讓使用者以更安全的方式進行OTA相關更新。此外，運用近期熱門區塊鏈技術進行身分驗證作為更新和通訊的保護，也可增加更新的安全性。
系統設計
圖1為本系統之整體架構示意圖。本系統藉由QR-Code模組、人機介面(HMI)觸控螢幕、指紋模組、無線射頻辨識(RFID)讀取器、馬達和Wi-Fi模組，將資料傳輸至盛群(Holtek)HT32F52352微控制器(MCU)，最後以特定資料格式發送至雲端伺服器，達成雲端資料與智慧販賣機的資料傳輸。
圖1 整體架構示意圖
本產品設計主要分成三大部分，第一部分為智慧販賣機，主要包含刀具上嵌入的RFID標籤，以及掃描使用者工單QR-Code來確認購買者等功能。根據購買者需要的型號，販賣機會自動顯示其擺放的位置，並在刀具出貨時透過RFID讀取器讀取嵌入刀具的RFID標籤；第二部分為HT32F52352 MCU的韌體設計，可實現Wi-Fi通訊處理及OTA傳送；第三部分則為MCU介面端，其通用非同步收發器(UART)和串列周邊介面(SPI)可用以讀取RFID標籤或QR-Code等多個感測器，以獲取販賣機的各項數據，如庫存、購買人員。最後，可透過UART控制與顯示HMI觸控螢幕上的相關資訊。此外，本產品採用模組化設計，易於組裝、配置與替換，也可根據需求擴充與調整。
系統工作原理
・OTA工作原理
OTA是通過全球行動通訊系統(GSM)或分碼多重進接(CDMA)電信網路的空中接口對使用者身分模組(SIM)卡數據及應用進行遠程管理的技術。空中接口可採用無線應用通訊協定(WAP)、通用封包無線電服務(GPRS)及簡訊技術。OTA技術的應用使行動通訊不僅可以提供語音和數據服務，還能下載新的應用程式或是韌體。圖2為OTA工作原理示意圖。
圖2 OTA工作原理示意圖
圖2中，由設備端傳送版本至OTA雲端，以判斷設備是否須要進行更新。確認須要更新後，則對設備端發起升級請求，並在通過通訊協定後接收升級包開始下載。下載完畢須校驗升級封包，並於校驗完成確認無誤後開始更新程序，最後由設備端再次傳送版本至OTA雲端以判斷是否須要再次進行更新。
目前可在數百或數千節點組成的無線感測網路和物聯網(IoT)網路中整合OTA技術，且OTA可應用在無需許可的頻帶(2.4GHz、868MHz、900MHz)以及低能量與流量消耗的協定，例如802.15.4和ZigBee。
・MQTT工作原理
圖3為MQTT組成示意圖。其中，主要分為發布者(Publisher)、訂閱者(Subscriber)、主題(Topic)與代理人(Broker)四部分。首先，由發布者透過特定主題發送資料至代理人後，再由代理人轉發至有訂閱該主題的訂閱者，藉此完成MQTT通訊。而訂閱者須訂閱特定主題，由代理人記錄，並在接收發布者的資料後，轉發給有訂閱特定主題的訂閱者。
圖3 MQTT組成示意圖
・RFID工作原理與模組
本產品採用RFID標籤與RFID讀取器來精準管控商品數量。在商品的兩側有專屬的RFID標籤，商品從販賣機落下後碰觸到RFID讀取器，在商品端進行感測，最後這些資訊將上傳到雲端。
RFID具有非直線傳輸、快速、較長傳輸距離以及可讀入讀出等傳輸特性，其工作原理為利用電流通過RFID讀取器線圈天線所產生的磁場，讓近距離RFID標籤內的天線因電磁感應現象產生電流，啟動標籤內的晶片。
圖4為本產品設計所採用的MF RC522 RFID感應模組。MF RC522是應用於13.56MHz非接觸式通訊中高整合度的讀寫卡晶片，為一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡晶片。本產品設計可透過MCU的SPI介面來控制RFID讀取器，並讀取標籤的相關資訊。
圖4 MF RC522 RFID感應模組實體圖
・QR-Code模組
針對各個工廠不同的工單格式，QR-Code模組可協助掃描工單資訊，顯示工單持有者能購買之刀具、員工身分類別等資訊。圖5為QR-Code模組實體圖。QR-Code呈正方形，常見為黑白兩色，也有彩色的編碼方式。QR-Code的3個角落印有「回」字正方形圖案，這3個正方形是協助解碼軟體定位的圖案。換言之，使用者毋須精確對齊，無論以任何角度掃描皆可正確讀取資料。
圖5 QR-Code模組實體圖
QR-Code模組的優點包含儲存大容量資訊、可在小範圍內列印，以及支援資料整合功能。本產品設計可透過MCU的UART介面來控制QR-Code模組，並讀取QR-Code的相關資訊。
・指紋模組
為了辨識拿取刀具的操作人員身分，需要能判斷人體指紋生理特徵的設備。而員工只須事前在指紋模組進行登錄，即可快速辨別身分。圖6為指紋模組(AS608光學指紋模組)實體圖。指紋辨識與處理包含指紋登錄和指紋匹配兩個過程。指紋登錄時，每一枚指紋錄入2次，並將2次錄入的圖像進行處理，合成個人範本儲存於模組記憶體中。指紋匹配時，透過指紋感測器，錄入要驗證的指紋圖像並進行處理，接著與模組中的指紋範本進行匹配比較，以此完成身分辨識。本產品設計可透過MCU的UART介面來控制指紋模組，並讀取指紋模組的相關資訊。
圖6 指紋模組實體圖
・HMI觸控螢幕模組
本產品使用7吋電阻式觸控液晶螢幕，直接透過UART RX/TX進行串接與控制，並具備800×480分辨率，支持多種組態控制元件，如按鈕控制元件、進度控制元件、指針控制元件等。此外，該螢幕也支援軟體自動升級、設備韌體自動升級，以及自定義任意Windows字庫，支援基本的圖形使用者介面(GUI)指令(畫點、畫線、畫矩形等)和BMP、JPG、JPEG、PNG圖片格式(圖7)。
圖7 HMI模組實體圖
韌體設計
圖8為韌體流程圖。MCU開始工作後，即啟動工作人員指紋辨識功能確認身分，並透過UART控制HMI螢幕，顯示權限與姓名。接著，掃描QR-Code模組，將其上傳至MQTT伺服器，等待後台回傳資訊並顯示在螢幕上。
圖8 韌體流程圖
使用者購買刀具時，螢幕上將顯示目前販賣機可選之刀具類型。使用者點擊螢幕選擇刀具後，販賣機即推出所選擇的嵌入RFID標籤的刀具，透過掃描RFID標籤加以確認即完整刀具購買流程。
網頁軟體設計
圖9為本系統之網頁流程圖。刀具販賣機管理人員想查看刀具販賣機情形時，須輸入員工帳號及密碼，輸入正確後便會進入員工專屬畫面。此時，有三種功能畫面可以選擇，使用者可以在網頁上查看目前刀具販賣機剩餘的刀具型號及數量，或是查看近期領取刀具的人員以及領取型號，也可進入修改刀具臨界值功能頁面。刀具販賣機裡的刀具少於設定臨界值時，網頁會跳出訊息提醒刀具販賣機管理人員補貨。管理人員也可依據不同類型刀具的取用頻率，在網頁上更改特定刀具的數量臨界值。
圖9 網頁流程圖
系統驗證與測試
本文提供兩種模式的驗證與測試。兩模式分別為工單掃描模式與刀具購買模式。
工單掃描模式
圖10為工單掃描操作模式示意圖。其中，刀具購買者透過QR-Code掃描工單後，相關資訊將藉由UART傳輸至MCU，再透過ESP12S Wi-Fi模組將資訊上傳至MQTT伺服器與MySQL雲端資料庫，進而將工單的相關資訊儲存於資料庫中。同時，也透過HMI觸控螢幕顯示刀具購買者與所欲購買的刀具類型或是品項等資訊。
圖10 工單掃描操作模式示意圖
刀具購買模式
圖11為刀具購買操作模式示意圖。其中，購買者可從刀具販賣機的HMI觸控螢幕點選所欲購買的刀具類型，並透過智慧販賣機的馬達轉動機構推出所選刀具。貨物掉落時，出口位置的RFID讀取器將讀取刀具包裝上的QR-Code，記錄已領取的刀具編號，並將資訊傳送到MQTT伺服器。最後，所有已領取的刀具資料都會儲存於MySQL雲端資料庫中。
圖11 刀具購買模式示意圖
圖12為本文所述應用於工具機刀具管理之OTA智慧販賣機實體圖；圖13為HMI觸控螢幕的刀具顯示畫面。其中，領取刀具採觸碰螢幕的形式，所購買的刀具品項會顯示於螢幕上，讓購買者可以多重確認，避免買錯或看錯的情況發生。
圖12 OTA智慧販賣機實體圖
圖13 HMI觸控螢幕的刀具顯示畫面
此外，刀具包裝上嵌入RFID標籤，在購買後經RFID讀取器掃描，將刀具的數量回傳至雲端，能讓供貨廠商在網頁上立即查看數據變化。此外，供貨廠商也可對OTA智慧販賣機進行遠端韌體更新(OTA)，立即更換螢幕上的刀具圖示或是更新OTA智慧販賣機畫面。如此，即可讓刀具的販售更加人性化與智慧化。
圖14為OTA智慧販賣機之數據頁面。其中，利用網頁後端讀取數據，並運用網頁前端將數據可視化，便於觀看與查閱。
圖14 OTA智慧販賣機數據畫面
最後，圖15為OTA智慧販賣機的控制頁面。在此頁面可以設定刀具數量臨界值、新增刀具、更改刀具數據或刀具倉儲畫面。其中，更改刀具倉儲畫面便採用OTA技術，並利用Node.js將資料發布至MQTT。最後，再由Wi-Fi模組接收MQTT資料，藉此修改OTA韌體程式。
圖15 OTA智慧販賣機控制頁面
智慧販賣機低人力成本邁向工業4.0
本產品設計透過多種智慧模組來達到智慧販賣機的設計目標。本產品運用QR-Code確認領刀人的身分，接著在選好要買的刀具後利用RFID讀取器確認出貨刀具的資料，並藉由Wi-Fi模組將資料傳遞至資料庫，達成智慧販賣機、網頁和手機APP的資料同步性。
透過彈性模組設計出的OTA智慧販賣機，若是應用於工具機刀具管理可讓工具機產業減少大量人力和物力成本，昂首邁向工業4.0的智慧製造。而根據實作的驗證測試，本產品具備節省人力成本、提高生產效率、進行遠端OTA更新及實現智慧化管理等特點。
(本文作者許永和為國立虎尾科技大學資訊工程系教授；張哲瑜/吳樂融/余承儒為該系學生；吳育潔為應用外語系學生)
