王冬云，孫源，張建剛

（1.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北秦皇島，066100；2.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北邢臺，054000；3.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北秦皇島，066326）

0 引言

隨著城市、農(nóng)村建設(shè)的快速發(fā)展，人們對環(huán)境問題越來越重視，并且在新型冠狀病毒等傳染病流行的今天，垃圾的收集轉(zhuǎn)運物流監(jiān)控已經(jīng)提升到越來越重要的地位，但是由于技術(shù)或者管理的局限性，環(huán)衛(wèi)處對垃圾車的管理一直缺乏有效的方式和方法。主要問題如下：無法了解垃圾桶的數(shù)量和分布信息，導(dǎo)致垃圾管理不及時，勞動強度大；垃圾無法及時清理，造成環(huán)境污染；無法進行垃圾溯源記錄；無法保證垃圾搜集次數(shù)執(zhí)行到位，有重復(fù)或遺漏。

要解決這些問題就需要一套監(jiān)管系統(tǒng)，而RFID 射頻識別技術(shù)的運用為垃圾轉(zhuǎn)運車監(jiān)管提供了方向[1]。為解決上述問題，文獻[2]利用了RFID 技術(shù)，當(dāng)垃圾車通過垃圾集裝箱時，車上的讀取設(shè)備準確讀出垃圾集裝箱上的標簽信息，獲取收取垃圾的地址等信息。文獻[3]利用RFID 技術(shù)，將讀寫器采集的RFID 標簽數(shù)據(jù)傳輸至中央控制計算機，調(diào)度垃圾車。但是這些方法，與現(xiàn)場控制分離，在RFID 讀取數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)上傳，現(xiàn)場垃圾桶是否被清理存在漏洞。

1 系統(tǒng)概述

■1.1 系統(tǒng)流程概述

給垃圾桶貼或嵌入RFID 標簽，RFID 標簽中寫有垃圾桶位置等數(shù)據(jù)信息，垃圾車配有此系統(tǒng)設(shè)備PLC 控制器、HMI 觸摸屏、RFID 讀寫器、水箱、水泵等。

在系統(tǒng)啟動后，垃圾轉(zhuǎn)運車正常行駛中，當(dāng)帶有RFID標簽的垃圾桶進入RFID 讀寫器射頻范圍，RFID 標簽數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC 內(nèi)，PLC 驅(qū)動蜂鳴器鳴響，提醒工作人員附近有待清理垃圾桶，并在HMI 觸摸屏上實時顯示標簽部分信息，將垃圾桶放在抬升臂附近，工作人員按下啟動按鈕，傳輸信號給PLC，PLC 驅(qū)動液壓缸等執(zhí)行元件動作，垃圾桶被抬起，垃圾倒入車斗內(nèi)，抖動，清洗消毒，并將存儲的RFID 標簽信息上傳至上位機（PC），保存到數(shù)據(jù)庫，工作人員通過上位機查詢垃圾桶一日清理及各垃圾轉(zhuǎn)運車回收垃圾的情況，可對數(shù)據(jù)信息溯源。

■1.2 射頻識別技術(shù)概述

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種無線通信技術(shù)，而且是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，不需要建立在機械或者光學(xué)接觸的基礎(chǔ)上。RFID 通常是一個簡單的無線系統(tǒng)，通常由三部分組成：閱讀器、電子標簽和調(diào)試軟件。閱讀器由天線、耦合元件、芯片、讀?。▽懭耄撕炐畔⒃O(shè)備四個部分組成，分為手持式閱讀器和固定式閱讀器。電子標簽有多種分類方式，從供電方式進行分類，電子標簽分為有源標簽和無源標簽。有源標簽內(nèi)部自帶電池，不需要通過閱讀器發(fā)射射頻信號磁場產(chǎn)生電能。而無源標簽內(nèi)部沒有自帶電源，它需要利用閱讀器發(fā)射的電磁場產(chǎn)生能量才能完成讀寫操作。標簽一般包含天線、耦合元件、芯片三個部分，電子標簽內(nèi)的編碼具有唯一性，并附著在識別對象上。調(diào)試軟件是應(yīng)用軟件層，主要作用為調(diào)試RFID與電子標簽識別、讀取（寫入）標簽信息，為人們做出管理決策提供依據(jù)。系統(tǒng)設(shè)有的天線，通常用于標簽和閱讀器間傳遞射頻信號[4]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

■2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以PLC 為核心，包含控制、識別、傳感、執(zhí)行和上位機五部分，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于PLC 與RFID 垃圾車智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

識別部分：應(yīng)用RFID 讀寫器對在射頻信號范圍內(nèi)貼或嵌入垃圾桶的電子標簽進行識別、讀取信息，通過通信傳輸，傳送到PLC 控制器中。

控制部分：接收RFID 標簽數(shù)據(jù)信息，通過程序?qū)撕灢糠中畔⑥D(zhuǎn)換實時顯示在HMI 觸摸屏上，現(xiàn)場工作人員按下HMI 啟動按鈕，啟動執(zhí)行元件，垃圾桶被清理后，PLC將RFID 標簽信息通過WiFi 通信傳輸上傳至上位機（PC）并保存在數(shù)據(jù)庫。

執(zhí)行部分：液壓缸、水泵、蜂鳴器等，通過接收到的控制指令，實現(xiàn)升降、清洗垃圾桶等動作。

傳感部分：液壓壓力繼電器檢測液壓缸伸出、縮回到達指定位置，檢測液壓缸有桿腔、無桿腔的壓力，到達設(shè)定壓力，將到位時的壓力轉(zhuǎn)換成電信號傳送到PLC 控制器，PLC 根據(jù)信號執(zhí)行指令。

上位機部分：接收PLC 傳輸?shù)臉撕灁?shù)據(jù)信息，通過軟件實現(xiàn)標簽信息的可視化及查詢，垃圾車的工作情況。

車載系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)車載示意圖

■2.2 設(shè)備選擇

控制器選擇：由于水泵多數(shù)位220V 交流電供電，換向閥為直流24V 供電即可，再根據(jù)功能要求、經(jīng)濟等情況，這里選擇西門子PLC，CPU 型號為1214C DC/DC/RLY。

RFID 設(shè)備選擇：根據(jù)標簽工作頻率的不同，標簽可分為低頻標簽(頻率范圍：30kHz～300kHz)、高頻標簽(頻率范圍：3MHz～30MHz)、超高頻標簽(頻率范圍：300MHz～3GHz)和微波系統(tǒng)(2.45GHz)四類[2]。這里選擇UHF 超高頻RFID 讀寫器及標簽，由于此讀寫器接口為RS485 接口，PLC 需要拓展CM1241-RS422/485 通信模塊。

壓力繼電器選擇：選用海德信HJCS-02N 壓力繼電器。

WiFi 模塊選擇：網(wǎng)絡(luò)上WiFi 遠程控制模塊多數(shù)以RS232、RS422/485 串口轉(zhuǎn)WiFi/以太網(wǎng)接口，這里使用RS485 串口通信的模塊，減少程序復(fù)雜程度。

水泵選擇：根據(jù)水箱大小、對水壓的需求，選擇24V—220W 抽水直流潛水泵。

PLC 控制器與各設(shè)備的外部連接如圖3 所示。

圖3 PLC 外部接線圖

■2.3 執(zhí)行部分液壓回路設(shè)計

后裝式垃圾車一般有兩個液壓缸分別安裝在垃圾車廂兩側(cè)，為同步動作缸。本系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有后裝式垃圾轉(zhuǎn)運車以液壓驅(qū)動方式，抓取、提升翻斗機構(gòu)的垃圾桶抬升裝置即液壓回路，在原有的基礎(chǔ)上，在液壓缸伸出到位、縮回到位的位置安裝液壓缸傳感器，液壓缸到位時通過傳感器生成電信號輸入給PLC，將液壓缸的單電控換向閥線圈與PLC 連接。液壓回路連接如圖4 所示。

圖4 液壓回路連接圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

■3.1 PLC 與RFID 讀寫器及WiFi 模塊的通信傳輸

這里使用的西門子PLC，應(yīng)用TIA 博途組態(tài)軟件梯形圖編程，添加相應(yīng)PLC 及CM1241 通信模塊，選擇功能塊SEND_PTP，此功能塊是發(fā)送數(shù)據(jù)，功能塊RCV_PIP，此功能塊是接收數(shù)據(jù)，填寫相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)塊，將CM1241 引腳與USB 轉(zhuǎn)485 接頭相連并接入電腦，通過調(diào)試軟件檢驗PLC 收發(fā)數(shù)據(jù)功能[5]。通過CM1241模塊引腳定義，將模塊3 腳與RS485-B 口連接，8 腳與RS485-A 口連接。CM1241-RS422/485 模塊的引腳含義（母頭）如圖5 所示[5]。

圖5 CM1241-RS422/485模塊引腳含義

在PLC 和RFID 讀寫器單獨測試發(fā)送、接收數(shù)據(jù)無異常后，將兩部分連接，將標簽放在射頻區(qū)域附近，觀察PLC接收數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)變化，完成PLC 與RFID 讀寫器的通信傳輸。RFID 接收數(shù)據(jù)塊變化數(shù)據(jù)為識別RFID 標簽數(shù)據(jù)示例如圖6 所示。

圖6 RFID 接收數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)示例

由于WiFi 模塊為RS485 接口，PLC 和WiFi 模塊的通信與RFID 通信傳輸同理。

■3.2 記錄上傳、溯源功能實現(xiàn)

在RFID 讀寫到標簽數(shù)據(jù)后，不會將數(shù)據(jù)立刻上傳到上位機（PC），而是暫時儲存在PLC 接收數(shù)據(jù)塊中，要將數(shù)據(jù)上傳，需要現(xiàn)場操作，將垃圾桶清理的同時上傳數(shù)據(jù)。具體操作為：在按下啟動按鈕后，PLC 梯形圖程序?qū)⒋鎯υ赗FID 接收數(shù)據(jù)塊中的RFID 標簽數(shù)據(jù)傳輸給WiFi 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)塊中，程序上傳結(jié)合實際操作如圖7 所示。

圖7 上傳結(jié)合實際操作程序

WiFi 模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至PC 數(shù)據(jù)庫，上位機通過開發(fā)應(yīng)用通過設(shè)定PLC 型號、IP 地址與垃圾轉(zhuǎn)運車的PLC 控制器通信[6]。上位機數(shù)據(jù)查詢?nèi)鐖D8 所示。

圖8 上位機畫面實例

■3.3 抬升垃圾桶、抖動和消毒功能實現(xiàn)

利用PLC 程序?qū)崿F(xiàn)一次操作，多功能順序動作，通過RFID 讀取到標簽數(shù)據(jù)，液壓缸通過傳感器1B1、2B1 檢測在原位（縮回到位）狀態(tài)，工作人員按下HMI 觸摸屏的啟動按鈕，收垃圾、抖動和消毒功能啟動。PLC 控制器使垃圾轉(zhuǎn)運車兩側(cè)液壓缸的電磁換向閥線圈得電，垃圾桶被機械結(jié)構(gòu)的抬升臂抬升，到達最高處（液壓缸伸出到位位置），垃圾桶中的垃圾車被倒出，這時部分垃圾桶會有附著在垃圾桶上的垃圾桶，就需要抬升臂做出像人手一樣抖動的動作，本系統(tǒng)通過PLC 梯形圖程序，2s一周期的使電磁換向閥線圈得電失電，由于換向閥帶有彈簧復(fù)位，在線圈失電后，換向閥換向，液壓缸縮回，這樣就實現(xiàn)了抬升臂“抖動”。PLC 控制垃圾桶抬升、抖動程序如圖9 所示。

圖9 抬升垃圾桶、抖動程序圖

PLC 消毒功能是垃圾轉(zhuǎn)運車在垃圾桶被抬升位置正對的垃圾桶口附近，裝有自動旋轉(zhuǎn)清洗噴頭（是利用液體的反作用力驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn)運動，無需外部動力），水泵與噴頭水管連接，水泵與PLC 電連接。PLC 消毒程序如圖10所示。

圖10 消毒程序圖

4 系統(tǒng)的組態(tài)界面

系統(tǒng)的組態(tài)界面即HMI 觸摸屏畫面由啟動RFID 讀寫器射頻功能、執(zhí)行元件啟停、數(shù)據(jù)顯示構(gòu)成，實時顯示RFID識別讀取標簽的部分信息，另外配備緊急狀態(tài)下的電氣按鈕。HMI 觸摸屏畫面如圖11 所示。

圖11 HMI 觸摸屏畫面