摘要：在食品加工行業(yè)，若防護水靴沒有及時清洗干凈，極易造成細菌滋生，造成對食品的污染。設(shè)計了一種基于ARM Cortex-M3單片機為，應(yīng)用RFID技術(shù)和無線串口WiFi技術(shù)設(shè)計而成的水靴自動清洗系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對防護水靴的自動清洗和對工人水靴清洗狀況的綜合管理。經(jīng)測試與應(yīng)用表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，能夠大幅度節(jié)省人力，并能提高管理的效率。

　　0 引言

　　在食品行業(yè)的加工過程中，工人要穿水靴工作，如果不及時對這些相關(guān)企業(yè)工人的水靴內(nèi)部及外部進行清洗，就極易造成水靴細菌滋生，污染食品。在廠礦、農(nóng)業(yè)、化工等部門，由于工作環(huán)境的關(guān)系，導(dǎo)致工人的水靴內(nèi)部極易臟污，外層容易附著易滑物質(zhì)，如不及時清洗，很容易造成腳疾傳染，危害工人的身體健康，而且會給生產(chǎn)過程帶來不同程度的安全隱患。因此，特殊的工作環(huán)境對水靴內(nèi)外的衛(wèi)生提出了特定要求，水靴內(nèi)部及外部的全面、及時清洗對相關(guān)企業(yè)來說是非常重要的。

　　通過對水靴自動清洗控制系統(tǒng)的設(shè)計，完成水靴的清洗、烘干，進而填補我國對水靴、其他鞋類、桶類形狀物品的內(nèi)部清洗的空白，提高我國清洗行業(yè)的市場競爭力，降低相應(yīng)行業(yè)的清洗成本，減少其生產(chǎn)過程中的安全隱患，延長水靴使用壽命，促進我國食品加工等行業(yè)的健康發(fā)展。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計原理

　　系統(tǒng)采用主機與從機協(xié)作方式實現(xiàn)自動化清洗功能，系統(tǒng)方案設(shè)計框圖如圖1所示。

　　主機采用固定結(jié)構(gòu)安裝，內(nèi)有高壓水槍和大功率加熱風(fēng)機，達到清洗和烘干的目的。從機采用軌道相對固定模式設(shè)計，多臺從機分別安裝在軌道上，用于放置待清洗的水靴。主機控制軌道的轉(zhuǎn)動，使從機循環(huán)通過主機，達到對從機內(nèi)待清洗的水靴進行清洗和烘干的目的。從機包括從機控制電路和清洗柜。從機安裝在可以轉(zhuǎn)動的軌道上，軌道的轉(zhuǎn)動受主機控制電路的控制。

　　主機包括主機控制電路和清洗臺，主機控制電路實現(xiàn)對清洗臺和軌道的控制。清洗水靴放入從機清洗柜中。

　　通過軌道轉(zhuǎn)動，使從機清洗柜到達主機清洗臺的指定位置，通過主機控制電路控制清洗臺實現(xiàn)對水靴的清洗和烘干。

　　1.1 主機控制電路

　　主機硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。主機能識別從機的狀態(tài)，對符合條件的從機清洗柜內(nèi)的水靴進行清洗。主機通過WiFi接收從機信號，交由主機CPU進行處理：一方面對從機的清洗狀態(tài)進行顯示，另一方面啟動軌道控制電路，使軌道轉(zhuǎn)動。通過位置檢測電路將到達指定位置從機內(nèi)的水靴進行清洗、烘干操作。清洗完畢后軌道控制電路控制軌道轉(zhuǎn)動，并將清洗完畢的信號，一方面送主機顯示屏進行狀態(tài)顯示，另一方面將清洗完畢的信號經(jīng)WiFi 送入從機CPU.用戶通過RFID 刷卡方式在從機清洗柜中取出已清洗的水靴。主機CPU還能實現(xiàn)對循環(huán)水箱的控制，達到節(jié)能的目的。

　　1.2 從機控制電路

　　從機清洗柜主要用于放置水靴，刷卡接口電路采集待清洗等各種信息給主機，由主機完成清洗。用戶通過刷卡接口電路刷卡，由從機CPU采集信號后，進行用戶識別。合法用戶的信息，如卡號和姓名等可以通過顯示屏進行顯示，同時將清洗請求信號通過WiFi發(fā)送給主機，非法用戶則通過語音提示，告知用戶并以蜂鳴器報警。從機硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)的硬件部分主要包括單片機控制模塊、RFID刷卡模塊、串口WiFi模塊三個部分。

　　2.1 單片機控制模塊

　　為了達到系統(tǒng)控制要求，本系統(tǒng)采用了ST 公司基于Cortex - M3 內(nèi)核的32 位增強型閃存微控制器STM32F-103VET6作為主控制器，Cortex-M3內(nèi)核是專門設(shè)計于滿足集高性能、低功耗、實時應(yīng)用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。

　　2.2 RFID刷卡模塊

　　目前常用的有接觸式刷卡方式和非接觸式刷卡方式。接觸式IC 卡是通過觸點與外界的接觸實現(xiàn)電氣連接進行數(shù)據(jù)的讀寫，適用于用卡次數(shù)不多且環(huán)境較好的場合。RFID 無線射頻識別技術(shù)的射頻卡具有非接觸、無磨損、操作方便，讀/寫頻率高，使用壽命長，安全防沖突等優(yōu)點。

　　從機具有刷卡管理功能，使用刷卡進行信號采集。

　　系統(tǒng)要求能夠?qū)τ脩粼谌我鈴臋C進行刷卡均可以識別該用戶放靴的位置，這就需要對卡進行寫入操作。由于ID刷卡方式只能讀出，不能實現(xiàn)對卡進行寫入操作，而采用IC 卡刷卡方式不僅可以讀出而且可以寫入，故本系統(tǒng)采用IC卡刷卡方式對用戶進行管理。

　　當(dāng)用戶在從機中刷卡時，IC 卡讀/寫電路將用戶姓名、卡號讀出來送顯示電路顯示。同時將從機編號寫入IC 卡中，實現(xiàn)用戶在任意從機進行刷卡均可以識別該用戶放鞋的位置。

　　2.3 串口WiFi模塊

　　由于從機是安裝在軌道上，并且隨軌道轉(zhuǎn)動，所以主機與從機只能通過無線信號傳輸。而主機具有檢測從機內(nèi)的水靴是否清洗過的功能，防止已清洗過的水靴進行第二次清洗。由于主機只具有RS 232 接口，故采用RS 485/RS 232 接口來實現(xiàn)從機RS 485 接口與主機接口進行通信來實現(xiàn)。

　　目前市場上主流的無線通信模塊有NRF24L01、NRF905,ZigBee、串口WiFi幾種。經(jīng)過比較，該系統(tǒng)選用傳輸速度快、抗干擾能力強的串口WiFi模塊。

　　WiFi（Wireless Fidlity）又稱為802.11b 標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4 GHz 直接序列擴頻，傳輸速率為54 b/s,,在開放性區(qū)域，通信距離[4]可達305 m.它可以工作于命令工作模式和自動工作模式，本次使用自動工作模式。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

　　通過上面的串口WiFi的設(shè)置，可以避免RS 485有線接口的缺點，實現(xiàn)從機與主機通信，進行從機狀態(tài)的查詢。

　　數(shù)據(jù)傳輸采用Modbus協(xié)議進行設(shè)計。該模塊設(shè)置波特率為115 200 b/s,數(shù)據(jù)格式為：8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無奇偶校驗位。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想，以主程序為設(shè)置了多個功能模塊子程序，簡化了程序設(shè)計結(jié)構(gòu)。各模塊采用C語言進行編程，運行過程中通過主程序調(diào)用各功能模塊子程序來實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能。

　　3.1 主機軟件設(shè)計

　　主機系統(tǒng)設(shè)計流程如圖4所示。主要包括開始、系統(tǒng)檢測、執(zhí)行清洗和烘干等模塊組成。

　?。?）開始

　　當(dāng)主機電源接通，清洗機處于待機狀態(tài)，系統(tǒng)運行自檢程序，通過傳感器判斷處于主機清洗位置的從機是否準(zhǔn)確就位，水、氣掃描桿退出從機（位于退出極限位置的初始位置），水泵啟動。

　?。?）系統(tǒng)檢測

　　如當(dāng)前從機清洗柜內(nèi)有水靴，則主機通過無線通信識別從機的狀態(tài)，對符合條件從機內(nèi)的水靴進行清洗。

　　主機必須先判斷從機門是否關(guān)閉鎖緊，惟有鎖緊狀態(tài)的從機能進入主機，否則軌道驅(qū)動電機立即停止，并發(fā)出報警信號。主機驅(qū)動軌道電機，帶動軌道轉(zhuǎn)動，將準(zhǔn)備清洗的從機送入主機的準(zhǔn)確位置。

　?。?）執(zhí)行清洗和烘干

　　如當(dāng)前從機清洗柜內(nèi)有水靴且準(zhǔn)備就緒，則掃描電機啟動，掃描桿運行。電磁閥打開進行噴水，水靴清洗完成后，掃描桿回到初始位置。水靴清洗完畢后，軌道驅(qū)動電機啟動，通過軌道電機轉(zhuǎn)動將下一從機帶入主機清洗位置，將當(dāng)前清洗后的從機送入主機烘干位置，并準(zhǔn)確就位后軌道驅(qū)動電機停止。執(zhí)行烘干操作，烘干后的水靴由軌道電機送出烘干位置，同時與從機進行通信，清除清洗標(biāo)記，等待用戶刷卡取出水靴。

　　3.2 從機軟件設(shè)計

　　從機軟件程序流程圖如圖5所示，從機主要包括開始、用戶刷卡，申請洗靴、清洗完畢，刷卡取水靴三個功能模塊。

　　（1）開始

　　開機時系統(tǒng)自檢，由于在電源關(guān)閉的情況下電磁門可以手動打開，所以開機時必須檢測從機是否處于正常狀態(tài)，所有從機清洗柜都必須處于空閑的狀態(tài)才能通過系統(tǒng)自檢。否則未處于此狀態(tài)的從機蜂鳴器就會報警，從機門解鎖，指示燈呈紅色閃亮狀態(tài)，等待管理員進行處理，處理好后從機發(fā)出鎖定信號，警報解除完成自檢。

　?。?）用戶刷卡，申請洗靴

　　用戶使用射頻識別卡在綠色指示燈的從機刷卡器上刷卡后，經(jīng)過初始上電復(fù)位、尋卡操作、通過防沖撞、密碼驗證后，讀/寫模塊可以對該存儲區(qū)的數(shù)據(jù)進行讀、寫、增值、減值以及掛起等操作。從機顯示屏顯示出分配給該用戶的從機號碼，同時顯示用戶姓名、清洗次數(shù)等信息，如果是合法用戶此時該從機門處于解鎖狀態(tài)，指示燈為紅色常亮狀態(tài)。用戶將自己的靴放入該從機清洗柜中，并且要求用戶關(guān)閉柜門。從機將清洗請求信號發(fā)給主機，等待主機對水靴進行清洗。

　?。?）清洗水靴，刷卡取水靴

　　當(dāng)從機就位后，主機控制軌道將該從機送入主機中，主機執(zhí)行相應(yīng)的清洗和烘干工作。當(dāng)從機為已清洗狀態(tài)，則不執(zhí)行清洗或烘干動作（已經(jīng)洗過的靴，不用洗第二次避免浪費資源）。從機中水靴在主機中進行清洗后，通過軌道從主機中送出，指示燈變?yōu)榧t色常亮。只要從機中還有未清洗的水靴，軌道都會轉(zhuǎn)動。當(dāng)所有從機中都沒有待清洗的水靴時軌道停止轉(zhuǎn)動。

　　當(dāng)清洗完畢用戶，通過任意工位刷卡，刷卡后主機顯示屏上顯示該用戶的從機清洗位置，此時放水靴的從機指示燈閃亮，電磁鎖解鎖，用戶找到該從機清洗柜取回自己的水靴。從機檢測到兩個工件都為空時立即發(fā)出鎖定信號，門彈回后立即鎖定，該從機即可執(zhí)行下清洗任務(wù)。

　　4 系統(tǒng)測試與應(yīng)用

　　在系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件編程完成后，對整個系統(tǒng)進行了組裝與初步調(diào)式，完成的系統(tǒng)的外觀圖如圖6 所示。

　　通過對水靴自動清洗系統(tǒng)的設(shè)計達到了如下功能。

　?。?）從機采用射頻識別技術(shù)，從機刷卡后能夠判別用戶情況、顯示用戶姓名、工位號。用戶放入水靴能夠進行識別，并進行申請清洗操作。

　　（2）主機能夠?qū)崿F(xiàn)自檢、從機到位檢測、水、氣掃描桿位置檢測功能，并對水靴進行自動清洗、消毒和烘干操作。

　?。?）從機清洗完畢后，通過從機通信電路能夠?qū)崿F(xiàn)在任意從機刷卡均可以識別該用戶放水靴的位置；（4）主機能夠識別從機狀態(tài)（是否到位、未清洗、已清洗），不會對清洗過的水靴進行第二次清洗，實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。

　　5 結(jié)語

　　本文通過設(shè)計利用STM32F-103VET6 單片機處理后，通過應(yīng)用RFID 技術(shù)和無線WiFi串口進行通信，實現(xiàn)了一個主控系統(tǒng)對多個從控工位控制系統(tǒng)的控制與管理，能夠完成對防護水靴的自動清洗和對清洗情況的記錄等綜合管理，改變了傳統(tǒng)人工清洗方法費時費力且不利于管理的困難。該系統(tǒng)的食品加工、醫(yī)藥加工等使用防護水鞋的行業(yè)，具有很高的實用性，也具有很好的應(yīng)用價值與應(yīng)用前景。