無人作業環衛車自動加水的一種無線通信方案

唐仕安 陽云 施宇杰 袁湘智

摘要：介紹了一種用于無人作業環衛車自動加水裝置的無線通信方案。該方案基于工業用WIFI通信模塊開發。結合實際可能的加水需求，環衛車具體可應用于單加水器應對單需加水車輛、多加水器應對多需加水車輛等場景。

關鍵詞：無人作業環衛車；自動加水；WIFI模塊；WLAN網絡；TCP/UDP

中圖分類號：U462? 收稿日期：2023-11-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401007

1 前言

隨著無人駕駛技術的快速發展和商業化步伐的逼近，貨運和客運被視為無人駕駛車輛規模化普及的關鍵領域。隨著城市環衛需求日益增加，環衛行業招人難、環衛工年齡日趨老年化、環衛工作量不斷增加的嚴峻形勢，人力不足的問題愈發明顯，無人駕駛環衛掃路機的出現和應用無疑成為了緩解城市環衛壓力的一劑良方［1］。

2 自動加水的必要性及解決方案

傳統環衛車加水需要人工操作，需要停車、下車、連接管路、加水等步驟，耗費時間和人力資源。無人環衛車在無人加水的情況下可以通過自動化技術實現，在工作過程中不需要人工干預，可以連續、高效地進行加水作業，智能化地滿足車輛加水需求，提高工作效率。因此，利用車輛無線控制加水裝置的開關水閥給車輛進行加水作業是十分必要的。

考慮到車輛近距離無線控制加水裝置的需求，通過多方對比成本、通信距離、數據傳輸效率、穩定性等方面考慮（見表1），排除了紅外、4G信號轉發、藍牙等數據傳輸方式，最終選用了WIFI網絡傳輸車輛與加水裝置的往返交互信息。

3 關鍵零部件介紹

本方案選用市面上銷售的一款工業級CAN轉 WIFI設備，該設備具備一路WLAN通道，兩路CAN總線通道。傳輸時由設備一將所連接的CAN總線網絡中的CAN總線報文轉換為TCP/UDP報文并通過WLAN網絡傳輸，由設備二接收后轉換為CAN總線報文，并發送至設備二連接的CAN總線網絡中，實現CAN與CAN網絡中通過WLAN通道無線傳輸CAN總線報文［2］。

3.1 設備網絡模式

設備支持站點（Station）和接入點（AP）兩種網絡模式，可獨立作為WIFI熱點組建WLAN網絡，同時也可作為客戶端聯入WLAN網絡。在本無線通信方案中，將使用兩個及兩個以上WIFI通信設備共同搭建WLAN網絡，其中一個加水設備上安裝的WIFI通信設備作為站點（Station）開啟WIFI熱點搭建WLAN網絡，其他加水設備及加水車輛上安裝的WIFI通信設備作為接入端（AP）聯入該WLAN網絡。

3.2 設備通信模式

設備支持傳輸控制（TCP）和廣播（UDP）兩種通信模式［3-4］。

傳輸控制模式由兩大部分組成，其中服務器端（TCP Server）監聽設定的端口并等待客戶端（TCP Client）連接。客戶端（TCP Client）向設定的IP地址發起TCP鏈接，若鏈接失敗，CAN設備將不斷嘗試重連直到成功。若連接成功，服務端就可以與客戶端雙向透明傳輸數據。

另在廣播模式下，設備將CAN設備的數據通過UDP包的形式發送給指定的IP網絡設備，同時監聽端口，將所有接收的數據轉發給CAN設備。

廣播模式與單對單的傳輸控制模式相比有以下不同：

a.連接性。傳輸控制模式是面向連接的協議，而廣播模式是無連接的協議。傳輸控制模式建立了一個可靠的雙向通信通道，通過三次握手和四次揮手來確保數據的可靠性和完整性。而廣播模式在發送數據之前不需要建立連接，每個數據包都是獨立的，沒有順序、確認和重傳機制。

b.可靠性。由于傳輸控制模式的連接性和可靠性機制，它能夠保證數據的可靠傳輸。傳輸控制模式使用序列號、確認和重傳來確保數據包按照正確的順序到達目標，且不丟失和重復。而廣播模式不提供可靠性保證，數據包可能會丟失、重復或亂序，因此在傳輸時對數據的完整性和可靠性依賴于應用層的處理［5］。

c.傳輸速率。由于傳輸控制模式的連接建立和數據校驗等機制，它在傳輸過程中會引入較多的開銷，導致一定的延遲和網絡負載。相比之下，廣播模式沒有這些額外的開銷，因此傳輸速度更快，對實時性要求較高的應用場景更為適用。

4 通信網絡架構

當系統中存在多臺車輛需要加水作業，同時無法固定加水機與加水車輛的相互關系時，此時采用TCP Server/Client的通信模式便不恰當，因為無法固定加水車輛需要連接的加水機的單一通信地址（IP地址）。此時便可采用廣播模式進行相互通信。

首先選擇一臺加水器，將內部的WIFI模塊設定為站點（Station），使用出廠時統一預設好的WLAN網絡SSID與密碼開啟WLAN網絡；其他產品（包括加水器與加水車輛）出廠時統一預設好WLAN網絡SSID與密碼，均設置為接入點（AP）接入該WLAN網絡。在網絡中每一個WIFI模塊均具有一個出廠時預設好的編號。

因此，考慮到廣播模式無法分辨多臺車輛與加水器之間通信的信息，當車輛前往加水時，需向網絡中廣播自身狀態需求與所在加水器編號，此時全網絡中的設備均可接收到此信號，只有與信號中編號對應上的加水器才會響應該信號并啟動加水流程，具體如圖1所示。

5 自動加水流程

整車通過WLAN網絡傳輸數據進行自動加水作業，具體加水流程見圖2，可能遇到的問題見表2。

6 結語

無人作業環衛車自動加水的一種無線通信方案是在自動駕駛環衛車車技術的發展下應運而生的。本方案通過采用工業級WIFI通信模塊，實現了自動加水裝置與環衛車之間的無線通信和數據傳輸。該方案具備低成本、簡單易用、安全可靠等優勢，能夠滿足環衛車輛自動加水的需求。

在實際應用中，該方案可以靈活應用于不同場景。無論是一個自動加水裝置對應一臺加水車輛，還是多個加水裝置對應多臺車輛，都能夠實現自動加水的功能，提高作業效率。同時，該方案的使用成本較低，維護成本也相對較低，為環衛車的運營和管理帶來了一定的便利。

需要注意的是，本方案在實際應用中仍然存在一些挑戰和改進空間。例如對于大規模的環衛車隊伍，如何進行有效的數據管理和協調，以及如何確保無線通信的穩定性和可靠性，都需要進一步的研究和優化。此外隨著無人作業環衛車技術的不斷發展，該方案還可以與其他無線通信技術進行融合，進一步提升自動加水通信的效率和精確度。

綜上所述，無人作業環衛車自動加水的無線通信方案為環衛車輛的自動化作業提供了一種可行的解決方案。隨著技術的不斷進步，相信這種方案將會在未來得到更加廣泛的應用，為城市環境衛生的改善和智能化作業的推進做出積極的貢獻。

參考文獻：

[1]陳凱無人駕駛技術在環衛行業的應用[J]專用汽車，2021（7）：74-77.

[2]SAE J1939 商用車控制系統局域網絡（CAN總線）通信協議[S].

[3]RFC 768 UDP用戶數據報協議[S]

[4]RFC 793 TCP傳輸控制協議[S].

[5]GB/T 28181-2011 安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求[S].

作者簡介：

唐仕安，男，1994年生，助理工程師，研究方向為專用車輛電氣設計及自動化控制。