單片機(jī)+Cat.1 在無人值守洗車系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭東福

（福建東成數(shù)字技術(shù)有限公司， 福建 福州 350008）

0 引言

自動(dòng)洗車機(jī)已經(jīng)在市場推廣應(yīng)用多年，使用形式多種多樣。傳統(tǒng)PLC 無人值守洗車系統(tǒng)有兩個(gè)痛點(diǎn)：一是PLC 對(duì)外接網(wǎng)絡(luò)模塊沒有絕對(duì)控制權(quán)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有問題時(shí)，不能及時(shí)重新連接、重新啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；二是PLC 不能通過網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)自身程序進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)、修復(fù)程序BUG、增加程序功能。本研究是一種以GD32F103ZET6 單片機(jī)+ML110S 網(wǎng)絡(luò)Cat.1 模塊為核心的無人值守洗車系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的PLC 系統(tǒng)相比，單片機(jī)+Cat.1 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)具有完整的處理流程，能夠解決PLC 系統(tǒng)的這兩個(gè)痛點(diǎn)，并且這兩個(gè)痛點(diǎn)在無人值守的系統(tǒng)里尤為重要，有較高的推廣、研究價(jià)值。

1 傳統(tǒng)PLC 洗車系統(tǒng)介紹

1.1 PLC 洗車系統(tǒng)介紹

PLC 廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，例如工業(yè)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等，效果顯著。技術(shù)趨于成熟，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中極為重要[1]。

PLC 洗車系統(tǒng)以PLC 為核心，如圖1 所示。PLC根據(jù)使用范圍不同，自身帶有不同數(shù)量的I/O 點(diǎn)位。由于洗車系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需要的I/O點(diǎn)位非常多，輸入輸出達(dá)到了80 個(gè)左右，所以PLC自身的I/O 點(diǎn)位已經(jīng)不能滿足洗車系統(tǒng)的使用要求，需要外擴(kuò)輸入輸出模塊。PLC 本身擴(kuò)展能力非常強(qiáng)，可以根據(jù)不同的使用需求，外加不同功能的擴(kuò)展模塊。同時(shí)由于PLC 輸出點(diǎn)位驅(qū)動(dòng)能力不足，需要外加中間繼電器以達(dá)到強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。PLC 也不具備語音能力，需要外加語音模塊，提前錄好音頻，使用I/O 進(jìn)行控制不同的語音段播放。在洗車系統(tǒng)中分別外擴(kuò)了兩個(gè)I/O 擴(kuò)展模塊，一個(gè)485 通訊模塊，一個(gè)4～20 mA模塊。整個(gè)系統(tǒng)顯得非常臃腫。

圖1 PLC 系統(tǒng)

1.2 PLC 系統(tǒng)外接網(wǎng)絡(luò)介紹

PLC 洗車系統(tǒng)使用的網(wǎng)絡(luò)模塊，一般使用外加的第三方控制盒子，如繁易等，由第三方提供網(wǎng)絡(luò)支持，通過RS485 通訊方式，采用Modbus 協(xié)議，對(duì)PLC 進(jìn)行寄存器讀寫。如圖2 所示為某PLC 洗車系統(tǒng)+繁易盒子的Modbus 配置參數(shù)。

圖2 Modbus 配置參數(shù)

參數(shù)mqtt_connect 為網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，其數(shù)值1 代表網(wǎng)絡(luò)已連接，0 代表網(wǎng)絡(luò)斷開。

參數(shù)errCode 為故障代碼，所對(duì)應(yīng)PLC 寄存器地址為501，寄存器不同值代表具體的故障，如1 為風(fēng)機(jī)過載，2 為行走過載，3 為頂刷過載等等。

參數(shù)start 及washMode1 等為控制洗車機(jī)啟動(dòng)，通過給寄存器1000～1003 寫1 來啟動(dòng)不同的洗車模式。

可以看出，PLC 跟網(wǎng)絡(luò)模塊為協(xié)作模式，互不隸屬。PLC 使用網(wǎng)絡(luò)模塊的缺點(diǎn)顯而易見：一是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)只有1 和0 兩種狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有故障不能連接時(shí)，并不能清楚知道是什么問題導(dǎo)致了故障，PLC 也不能對(duì)故障進(jìn)行復(fù)位、重連等操作；二是當(dāng)機(jī)器故障時(shí)，PLC 只能用寄存器值來代表不同故障，需要在服務(wù)器端事先列出值與故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果不清楚對(duì)應(yīng)關(guān)系，或者PLC 有新增故障時(shí)，單純從一個(gè)數(shù)值并不能清楚地表示出故障內(nèi)容；三是網(wǎng)絡(luò)模塊并不能直接對(duì)PLC 軟件進(jìn)行升級(jí)，服務(wù)器與PLC 之間的數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)模塊轉(zhuǎn)發(fā)；因此有必要尋找到一種方式來解決上述問題。

2 單片機(jī)洗車系統(tǒng)介紹

2.1 Cat.1 介紹

2020 年5 月，工信部發(fā)布了《關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》，明確提出推動(dòng)存量2G、3G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)向NB-IoT、4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)遷移。其中Cat.1以比NB-IoT 通信能力強(qiáng)、比Cat.4 成本更低優(yōu)勢，在物聯(lián)網(wǎng)通信中廣受用戶喜愛[2]。

ML110S 模組是專為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的小型化Cat.1 無線通信模組，尺寸僅為24.0 mm×24.0 mm×2.5 mm，支持GSM/LTE、TDD/LTE、FDD 制式，具有10 Mbit/s 下行和5 Mbps 上行數(shù)據(jù)速率，可提供語音、TTS 和數(shù)傳服務(wù)，支持Modem AT/OpenCPU 方案。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)介紹

單片機(jī)洗車系統(tǒng)以GD32F103ZET6 為核心，如圖3 所示。GD32F103ZET6 單片機(jī)一共有112 個(gè)I/O 口、具有12 位A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換、5 個(gè)UARTS 等硬件接口，一個(gè)單片機(jī)再加上少許外圍電路就可滿足洗車系統(tǒng)的硬件控制要求，不需要另外擴(kuò)展接口模塊[3]。同時(shí)單片機(jī)輸出直接控制繼電器，不需要再外接中間繼電器，極大節(jié)約了成本[4]。通過對(duì)比PLC 系統(tǒng)框圖，可以很明顯地看到，使用單片機(jī)作為核心控制的洗車系統(tǒng)，少了擴(kuò)展模塊、語音模塊、中間繼電器、4～20 mA模塊、485 模塊。集成度更高，系統(tǒng)更簡單實(shí)用[5]。

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)

2.3 單片機(jī)+Cat.1 應(yīng)用

如圖1 與圖3 所示，比較單片機(jī)與PLC 系統(tǒng)框圖可以看出單片機(jī)系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，整體要比PLC 系統(tǒng)簡潔。Cat.1 網(wǎng)絡(luò)模塊作為單片機(jī)的外設(shè)，為單片機(jī)所控制，單片機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)模塊有絕對(duì)的控制權(quán)限。相當(dāng)“大腦”有了“手腳”，“大腦”控制“手腳”來為“大腦”提供服務(wù)。有了這種隸屬關(guān)系，單片機(jī)就能很好了解網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)來處理網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。

GD32F103ZET6 與ML110S 采用全雙工串口來相互通訊，如圖4 所示。GD32F103ZET6 通過串口主動(dòng)發(fā)送AT 指令來控制ML110S。

圖4 串口通訊

ML110S 有非常多的AT 指令來控制或查詢狀態(tài)，具體AT 指令可以通過查詢模塊規(guī)格書獲取，以下幾個(gè)AT 指令較為常用到：

AT+CSQ 用來測試信號(hào)強(qiáng)度

AT+CPIN 用來檢測SIM卡

AT+CGATT 用來設(shè)置或檢測模塊有無連接上基站和核心網(wǎng)

AT+QICSGP 用來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)APN

AT+CEREG 用來查詢網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)

AT+QIOPEN 用來連接服務(wù)器

AT+QISEND 用來發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)連上服務(wù)器以后，網(wǎng)絡(luò)模塊就相當(dāng)一個(gè)管道，負(fù)責(zé)傳送單片機(jī)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)，有了這層關(guān)系，傳輸升級(jí)數(shù)據(jù)將水到渠成，遠(yuǎn)程升級(jí)不再有障礙。單片機(jī)與服務(wù)器平時(shí)通訊時(shí)采用了JSON 格式傳輸。數(shù)據(jù)內(nèi)容包含上報(bào)信息、控制信息及遠(yuǎn)程升級(jí)服務(wù)信息。以下舉例幾種信息內(nèi)容：

1）上報(bào)信息。

{

"cmd": "status_xcj",//上報(bào)命令

"wax_level":"100",//水臘液位

"foam _level":"100",//泡沫液位

"discharge_water":"10000",//水流量

"temperature":"25",//洗車機(jī)溫度

"run_time":"10",//洗車運(yùn)行時(shí)間

"msg":"正在洗車",//洗車狀態(tài)

"bj_msg":"風(fēng)機(jī)過載"http://報(bào)警信息

}

2）控制信息。

{

"cmd": "control ＜http://www.baidu.com/link?url=IjTr7wEh_-pH2hmXPCM_k9Kkc_XDi-DAu71jhd6NKKj28P13nVazU11cpv-ZlEkgmwws2_fQKL3uRanYMOgDrJ5VcxubmViY6Y3ExC19_qdsa＞_xcj "http://控制信息

"function":"啟動(dòng)洗車" //命令

}

3）遠(yuǎn)程升級(jí)服務(wù)信息。

{

"cmd": "upgrade"http://升級(jí)服務(wù)

"ver":"1.1.1", //版本號(hào)

"length":"140002", //軟件長度

"checksum":"12345"http://軟件計(jì)算校驗(yàn)碼

}

可以看出，關(guān)鍵功能數(shù)據(jù)值是可以直接以中文傳輸?shù)模瑳]有用數(shù)字代替功能，故障時(shí)可直接傳輸故障內(nèi)容，數(shù)據(jù)可直接在服務(wù)器端展示，不需要再由服務(wù)器查詢對(duì)應(yīng)狀態(tài)。而且遠(yuǎn)程升級(jí)服務(wù)信息，不僅提供了數(shù)據(jù)大小，還提供了版本號(hào)及檢驗(yàn)碼，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。由于網(wǎng)絡(luò)模塊只是一個(gè)通道功能，因此想傳輸任何數(shù)據(jù)都沒有問題，非常方便數(shù)據(jù)傳輸及功能擴(kuò)展。

3 Cat.1 相關(guān)程序設(shè)計(jì)

洗車機(jī)要達(dá)到無人值守，需要滿足幾個(gè)條件：一是實(shí)時(shí)上報(bào)機(jī)器故障信息，讓運(yùn)營人員清楚了解機(jī)器問題；二是機(jī)器遠(yuǎn)程控制，包括遠(yuǎn)程啟動(dòng)、遠(yuǎn)程停止、遠(yuǎn)程復(fù)位、遠(yuǎn)程重啟；三是發(fā)現(xiàn)機(jī)器有BUG 時(shí)可遠(yuǎn)程升級(jí)程序修復(fù)BUG；這幾個(gè)功能都離不開網(wǎng)絡(luò)模塊的支持。

3.1 Cat.1 網(wǎng)絡(luò)處理流程

想要設(shè)備實(shí)現(xiàn)無人值守，必須保持網(wǎng)絡(luò)連接正常，因此就要求網(wǎng)絡(luò)處理程序要有自我檢測與恢復(fù)機(jī)制。當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)被斷開時(shí)，就需要開啟重新連接，當(dāng)連接失敗時(shí)，就需要再檢測移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是否正常，當(dāng)檢測到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不正常時(shí)，就應(yīng)該檢測模塊是否正常，當(dāng)檢測到模塊不正常時(shí)，就應(yīng)該重啟模塊，讓模塊重新工作。Cat.1 網(wǎng)絡(luò)流程如圖5 所示。梳理整個(gè)Cat.1網(wǎng)絡(luò)流程時(shí)，不難看出，設(shè)計(jì)與要求是完全結(jié)合的，當(dāng)一系列“否”以后，最終重新進(jìn)入初始模式，讓模塊重新工作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自我檢測與修復(fù)。

圖5 Cat.1 網(wǎng)絡(luò)處理流程

3.2 遠(yuǎn)程升級(jí)

遠(yuǎn)程升級(jí)程序是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的頂級(jí)功能，如果沒有遠(yuǎn)程升級(jí)功能將使物聯(lián)網(wǎng)使用大打折扣。由于單片機(jī)資源是有限的，無法一次性從服務(wù)器接收完整的升級(jí)文件，所以需要采用分幀機(jī)制，把升級(jí)文件分成一幀一幀傳輸。每幀控制在1 Kb 字節(jié)，通過多次傳輸達(dá)到完整接收升級(jí)數(shù)據(jù)功能。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，升級(jí)時(shí)必須校驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，檢驗(yàn)通過才可進(jìn)行升級(jí)，否則刷入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)將導(dǎo)致單片機(jī)不工作。

升級(jí)流程如圖6 所示，可以看出遠(yuǎn)程升級(jí)是一個(gè)慎之又慎的工作，稍不注意，將導(dǎo)致單片機(jī)不工作。因此，工作流程中應(yīng)該多做些校驗(yàn)，以及萬一失敗時(shí)的恢復(fù)工作，比如升級(jí)時(shí)可將正常在用的數(shù)據(jù)備份一份，當(dāng)升級(jí)以后的程序不能正常工作時(shí)，可自動(dòng)恢復(fù)原有程序數(shù)據(jù)。

圖6 升級(jí)流程

4 應(yīng)用的效益評(píng)估

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

生產(chǎn)成本降低，整個(gè)單片機(jī)洗車系統(tǒng)對(duì)比PLC洗車系統(tǒng)減少了兩個(gè)擴(kuò)展模塊、語音模塊、中間繼電器、4～20 mA 模塊、RS485 模塊，光這些模塊就可直接減少1 000～2 000 元的生產(chǎn)成本。

4.2 生產(chǎn)效益

由于外圍部件的減少，生產(chǎn)效率得到提升，減少了人工的工作量，效率的提升意味著效益的提升，人工成本的降低。

4.3 運(yùn)營效益

引入了Cat.1 應(yīng)用，當(dāng)機(jī)器故障時(shí)，運(yùn)營者可實(shí)時(shí)收到故障信息，并可遠(yuǎn)程復(fù)位機(jī)器、重啟機(jī)器，不需人工到現(xiàn)場處理，可快速恢復(fù)運(yùn)營?？焖俚奶幹霉收弦馕吨鴾p少機(jī)器故障帶來的長時(shí)間停滯，減少損失。

5 結(jié)語

以GD32F103ZET6 單片機(jī)+ML110S 網(wǎng)絡(luò)Cat.1 模塊為例，探討了Cat.1 在無人值守洗車系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)在洗車系統(tǒng)應(yīng)用有很大幫助，說明是一種切實(shí)可行的方法，同時(shí)產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益。單片機(jī)+Cat.1 在洗車機(jī)的應(yīng)用只是物聯(lián)網(wǎng)其中的一種應(yīng)用，功能一通百通，可以應(yīng)用到絕大部分的物聯(lián)應(yīng)用上，如無人售貨、充電樁等等。萬物皆可物聯(lián)，我國的物聯(lián)應(yīng)用市場越來越廣闊。