單片機+Cat.1 在無人值守洗車系統(tǒng)中的應用

郭東福

（福建東成數(shù)字技術有限公司， 福建 福州 350008）

0 引言

自動洗車機已經在市場推廣應用多年，使用形式多種多樣。傳統(tǒng)PLC 無人值守洗車系統(tǒng)有兩個痛點：一是PLC 對外接網絡模塊沒有絕對控制權，當網絡有問題時，不能及時重新連接、重新啟動網絡；二是PLC 不能通過網絡模塊對自身程序進行遠程升級、修復程序BUG、增加程序功能。本研究是一種以GD32F103ZET6 單片機+ML110S 網絡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+Cat.1 對于網絡具有完整的處理流程，能夠解決PLC 系統(tǒng)的這兩個痛點，并且這兩個痛點在無人值守的系統(tǒng)里尤為重要，有較高的推廣、研究價值。

1 傳統(tǒng)PLC 洗車系統(tǒng)介紹

1.1 PLC 洗車系統(tǒng)介紹

PLC 廣泛用于各個領域，例如工業(yè)系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等，效果顯著。技術趨于成熟，應用范圍不斷擴大，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 點位。由于洗車系統(tǒng)是一個非常復雜的控制系統(tǒng)，需要的I/O點位非常多，輸入輸出達到了80 個左右，所以PLC自身的I/O 點位已經不能滿足洗車系統(tǒng)的使用要求，需要外擴輸入輸出模塊。PLC 本身擴展能力非常強，可以根據(jù)不同的使用需求，外加不同功能的擴展模塊。同時由于PLC 輸出點位驅動能力不足，需要外加中間繼電器以達到強驅動能力。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 進行控制不同的語音段播放。在洗車系統(tǒng)中分別外擴了兩個I/O 擴展模塊，一個485 通訊模塊，一個4～20 mA模塊。整個系統(tǒng)顯得非常臃腫。

圖1 PLC 系統(tǒng)

1.2 PLC 系統(tǒng)外接網絡介紹

PLC 洗車系統(tǒng)使用的網絡模塊，一般使用外加的第三方控制盒子，如繁易等，由第三方提供網絡支持，通過RS485 通訊方式，采用Modbus 協(xié)議，對PLC 進行寄存器讀寫。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 為網絡連接狀態(tài)，其數(shù)值1 代表網絡已連接，0 代表網絡斷開。

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

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

可以看出，PLC 跟網絡模塊為協(xié)作模式，互不隸屬。PLC 使用網絡模塊的缺點顯而易見：一是網絡狀態(tài)只有1 和0 兩種狀態(tài)，當網絡有故障不能連接時，并不能清楚知道是什么問題導致了故障，PLC 也不能對故障進行復位、重連等操作；二是當機器故障時，PLC 只能用寄存器值來代表不同故障，需要在服務器端事先列出值與故障的對應關系，如果不清楚對應關系，或者PLC 有新增故障時，單純從一個數(shù)值并不能清楚地表示出故障內容；三是網絡模塊并不能直接對PLC 軟件進行升級，服務器與PLC 之間的數(shù)據(jù)需要通過網絡模塊轉發(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《關于深入推進移動物聯(lián)網全面發(fā)展的通知》，明確提出推動存量2G、3G物聯(lián)網業(yè)務向NB-IoT、4G 和5G 網絡遷移。其中Cat.1以比NB-IoT 通信能力強、比Cat.4 成本更低優(yōu)勢，在物聯(lián)網通信中廣受用戶喜愛[2]。

ML110S 模組是專為物聯(lián)網領域設計的小型化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，支持Modem AT/OpenCPU 方案。

2.2 單片機系統(tǒng)介紹

單片機洗車系統(tǒng)以GD32F103ZET6 為核心，如圖3 所示。GD32F103ZET6 單片機一共有112 個I/O 口、具有12 位A/D 模數(shù)轉換、5 個UARTS 等硬件接口，一個單片機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，不需要另外擴展接口模塊[3]。同時單片機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]。通過對比PLC 系統(tǒng)框圖，可以很明顯地看到，使用單片機作為核心控制的洗車系統(tǒng)，少了擴展模塊、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)更簡單實用[5]。

圖3 單片機系統(tǒng)

2.3 單片機+Cat.1 應用

如圖1 與圖3 所示，比較單片機與PLC 系統(tǒng)框圖可以看出單片機系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，整體要比PLC 系統(tǒng)簡潔。Cat.1 網絡模塊作為單片機的外設，為單片機所控制，單片機對網絡模塊有絕對的控制權限。相當“大腦”有了“手腳”，“大腦”控制“手腳”來為“大腦”提供服務。有了這種隸屬關系，單片機就能很好了解網絡狀態(tài)，并能實時根據(jù)網絡狀態(tài)來處理網絡關系。

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AT 指令較為常用到：

AT+CSQ 用來測試信號強度

AT+CPIN 用來檢測SIM卡

AT+CGATT 用來設置或檢測模塊有無連接上基站和核心網

AT+QICSGP 用來設置網絡APN

AT+CEREG 用來查詢網絡注冊狀態(tài)

AT+QIOPEN 用來連接服務器

AT+QISEND 用來發(fā)送數(shù)據(jù)

當連上服務器以后，網絡模塊就相當一個管道，負責傳送單片機與服務器之間的數(shù)據(jù)，有了這層關系，傳輸升級數(shù)據(jù)將水到渠成，遠程升級不再有障礙。單片機與服務器平時通訊時采用了JSON 格式傳輸。數(shù)據(jù)內容包含上報信息、控制信息及遠程升級服務信息。以下舉例幾種信息內容：

1）上報信息。

{

"cmd": "status_xcj",//上報命令

"wax_level":"100",//水臘液位

"foam _level":"100",//泡沫液位

"discharge_water":"10000",//水流量

"temperature":"25",//洗車機溫度

"run_time":"10",//洗車運行時間

"msg":"正在洗車",//洗車狀態(tài)

"bj_msg":"風機過載"http://報警信息

}

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":"啟動洗車" //命令

}

3）遠程升級服務信息。

{

"cmd": "upgrade"http://升級服務

"ver":"1.1.1", //版本號

"length":"140002", //軟件長度

"checksum":"12345"http://軟件計算校驗碼

}

可以看出，關鍵功能數(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，故障時可直接傳輸故障內容，數(shù)據(jù)可直接在服務器端展示，不需要再由服務器查詢對應狀態(tài)。而且遠程升級服務信息，不僅提供了數(shù)據(jù)大小，還提供了版本號及檢驗碼，可以對數(shù)據(jù)進行校驗，保證數(shù)據(jù)準確。由于網絡模塊只是一個通道功能，因此想傳輸任何數(shù)據(jù)都沒有問題，非常方便數(shù)據(jù)傳輸及功能擴展。

3 Cat.1 相關程序設計

洗車機要達到無人值守，需要滿足幾個條件：一是實時上報機器故障信息，讓運營人員清楚了解機器問題；二是機器遠程控制，包括遠程啟動、遠程停止、遠程復位、遠程重啟；三是發(fā)現(xiàn)機器有BUG 時可遠程升級程序修復BUG；這幾個功能都離不開網絡模塊的支持。

3.1 Cat.1 網絡處理流程

想要設備實現(xiàn)無人值守，必須保持網絡連接正常，因此就要求網絡處理程序要有自我檢測與恢復機制。當檢測到網絡被斷開時，就需要開啟重新連接，當連接失敗時，就需要再檢測移動網絡是否正常，當檢測到移動網絡不正常時，就應該檢測模塊是否正常，當檢測到模塊不正常時，就應該重啟模塊，讓模塊重新工作。Cat.1 網絡流程如圖5 所示。梳理整個Cat.1網絡流程時，不難看出，設計與要求是完全結合的，當一系列“否”以后，最終重新進入初始模式，讓模塊重新工作，實現(xiàn)網絡自我檢測與修復。

圖5 Cat.1 網絡處理流程

3.2 遠程升級

遠程升級程序是一個物聯(lián)網設備的頂級功能，如果沒有遠程升級功能將使物聯(lián)網使用大打折扣。由于單片機資源是有限的，無法一次性從服務器接收完整的升級文件，所以需要采用分幀機制，把升級文件分成一幀一幀傳輸。每幀控制在1 Kb 字節(jié)，通過多次傳輸達到完整接收升級數(shù)據(jù)功能。同時，為了保證數(shù)據(jù)的準確性，升級時必須校驗數(shù)據(jù)的準確性，檢驗通過才可進行升級，否則刷入錯誤數(shù)據(jù)將導致單片機不工作。

升級流程如圖6 所示，可以看出遠程升級是一個慎之又慎的工作，稍不注意，將導致單片機不工作。因此，工作流程中應該多做些校驗，以及萬一失敗時的恢復工作，比如升級時可將正常在用的數(shù)據(jù)備份一份，當升級以后的程序不能正常工作時，可自動恢復原有程序數(shù)據(jù)。

圖6 升級流程

4 應用的效益評估

4.1 經濟效益

生產成本降低，整個單片機洗車系統(tǒng)對比PLC洗車系統(tǒng)減少了兩個擴展模塊、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 元的生產成本。

4.2 生產效益

由于外圍部件的減少，生產效率得到提升，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 運營效益

引入了Cat.1 應用，當機器故障時，運營者可實時收到故障信息，并可遠程復位機器、重啟機器，不需人工到現(xiàn)場處理，可快速恢復運營。快速的處置故障意味著減少機器故障帶來的長時間停滯，減少損失。

5 結語

以GD32F103ZET6 單片機+ML110S 網絡Cat.1 模塊為例，探討了Cat.1 在無人值守洗車系統(tǒng)中的應用，對于物聯(lián)網在洗車系統(tǒng)應用有很大幫助，說明是一種切實可行的方法，同時產生了經濟效益。單片機+Cat.1 在洗車機的應用只是物聯(lián)網其中的一種應用，功能一通百通，可以應用到絕大部分的物聯(lián)應用上，如無人售貨、充電樁等等。萬物皆可物聯(lián)，我國的物聯(lián)應用市場越來越廣闊。