無人作業(yè)環(huán)衛(wèi)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(yè)環(huán)衛(wèi)車自動加水裝置的無線通信方案。該方案基于工業(yè)用WIFI通信模塊開發(fā)。結(jié)合實際可能的加水需求，環(huán)衛(wèi)車具體可應(yīng)用于單加水器應(yīng)對單需加水車輛、多加水器應(yīng)對多需加水車輛等場景。

關(guān)鍵詞：無人作業(yè)環(huán)衛(wèi)車；自動加水；WIFI模塊；WLAN網(wǎng)絡(luò)；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(shù)的快速發(fā)展和商業(yè)化步伐的逼近，貨運(yùn)和客運(yùn)被視為無人駕駛車輛規(guī)模化普及的關(guān)鍵領(lǐng)域。隨著城市環(huán)衛(wèi)需求日益增加，環(huán)衛(wèi)行業(yè)招人難、環(huán)衛(wèi)工年齡日趨老年化、環(huán)衛(wèi)工作量不斷增加的嚴(yán)峻形勢，人力不足的問題愈發(fā)明顯，無人駕駛環(huán)衛(wèi)掃路機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用無疑成為了緩解城市環(huán)衛(wèi)壓力的一劑良方［1］。

2 自動加水的必要性及解決方案

傳統(tǒng)環(huán)衛(wèi)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(fèi)時間和人力資源。無人環(huán)衛(wèi)車在無人加水的情況下可以通過自動化技術(shù)實現(xiàn)，在工作過程中不需要人工干預(yù)，可以連續(xù)、高效地進(jìn)行加水作業(yè)，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(guān)水閥給車輛進(jìn)行加水作業(yè)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(shù)據(jù)傳輸效率、穩(wěn)定性等方面考慮（見表1），排除了紅外、4G信號轉(zhuǎn)發(fā)、藍(lán)牙等數(shù)據(jù)傳輸方式，最終選用了WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸車輛與加水裝置的往返交互信息。

3 關(guān)鍵零部件介紹

本方案選用市面上銷售的一款工業(yè)級CAN轉(zhuǎn) WIFI設(shè)備，該設(shè)備具備一路WLAN通道，兩路CAN總線通道。傳輸時由設(shè)備一將所連接的CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的CAN總線報文轉(zhuǎn)換為TCP/UDP報文并通過WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸，由設(shè)備二接收后轉(zhuǎn)換為CAN總線報文，并發(fā)送至設(shè)備二連接的CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)CAN與CAN網(wǎng)絡(luò)中通過WLAN通道無線傳輸CAN總線報文［2］。

3.1 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)模式

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

3.2 設(shè)備通信模式

設(shè)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(wù)器端（TCP Server）監(jiān)聽設(shè)定的端口并等待客戶端（TCP Client）連接?？蛻舳耍═CP Client）向設(shè)定的IP地址發(fā)起TCP鏈接，若鏈接失敗，CAN設(shè)備將不斷嘗試重連直到成功。若連接成功，服務(wù)端就可以與客戶端雙向透明傳輸數(shù)據(jù)。

另在廣播模式下，設(shè)備將CAN設(shè)備的數(shù)據(jù)通過UDP包的形式發(fā)送給指定的IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，同時監(jiān)聽端口，將所有接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給CAN設(shè)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(xié)議，而廣播模式是無連接的協(xié)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(shù)據(jù)的可靠性和完整性。而廣播模式在發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接，每個數(shù)據(jù)包都是獨立的，沒有順序、確認(rèn)和重傳機(jī)制。

b.可靠性。由于傳輸控制模式的連接性和可靠性機(jī)制，它能夠保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。傳輸控制模式使用序列號、確認(rèn)和重傳來確保數(shù)據(jù)包按照正確的順序到達(dá)目標(biāo)，且不丟失和重復(fù)。而廣播模式不提供可靠性保證，數(shù)據(jù)包可能會丟失、重復(fù)或亂序，因此在傳輸時對數(shù)據(jù)的完整性和可靠性依賴于應(yīng)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(shù)據(jù)校驗等機(jī)制，它在傳輸過程中會引入較多的開銷，導(dǎo)致一定的延遲和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。相比之下，廣播模式?jīng)]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(yīng)用場景更為適用。

4 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

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

首先選擇一臺加水器，將內(nèi)部的WIFI模塊設(shè)定為站點（Station），使用出廠時統(tǒng)一預(yù)設(shè)好的WLAN網(wǎng)絡(luò)SSID與密碼開啟WLAN網(wǎng)絡(luò)；其他產(chǎn)品（包括加水器與加水車輛）出廠時統(tǒng)一預(yù)設(shè)好WLAN網(wǎng)絡(luò)SSID與密碼，均設(shè)置為接入點（AP）接入該WLAN網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中每一個WIFI模塊均具有一個出廠時預(yù)設(shè)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(dāng)車輛前往加水時，需向網(wǎng)絡(luò)中廣播自身狀態(tài)需求與所在加水器編號，此時全網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備均可接收到此信號，只有與信號中編號對應(yīng)上的加水器才會響應(yīng)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(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行自動加水作業(yè)，具體加水流程見圖2，可能遇到的問題見表2。

6 結(jié)語

無人作業(yè)環(huán)衛(wèi)車自動加水的一種無線通信方案是在自動駕駛環(huán)衛(wèi)車車技術(shù)的發(fā)展下應(yīng)運(yùn)而生的。本方案通過采用工業(yè)級WIFI通信模塊，實現(xiàn)了自動加水裝置與環(huán)衛(wèi)車之間的無線通信和數(shù)據(jù)傳輸。該方案具備低成本、簡單易用、安全可靠等優(yōu)勢，能夠滿足環(huán)衛(wèi)車輛自動加水的需求。

在實際應(yīng)用中，該方案可以靈活應(yīng)用于不同場景。無論是一個自動加水裝置對應(yīng)一臺加水車輛，還是多個加水裝置對應(yīng)多臺車輛，都能夠?qū)崿F(xiàn)自動加水的功能，提高作業(yè)效率。同時，該方案的使用成本較低，維護(hù)成本也相對較低，為環(huán)衛(wèi)車的運(yùn)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(yīng)用中仍然存在一些挑戰(zhàn)和改進(jìn)空間。例如對于大規(guī)模的環(huán)衛(wèi)車隊伍，如何進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)管理和協(xié)調(diào)，以及如何確保無線通信的穩(wěn)定性和可靠性，都需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。此外隨著無人作業(yè)環(huán)衛(wèi)車技術(shù)的不斷發(fā)展，該方案還可以與其他無線通信技術(shù)進(jìn)行融合，進(jìn)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(yè)環(huán)衛(wèi)車自動加水的無線通信方案為環(huán)衛(wèi)車輛的自動化作業(yè)提供了一種可行的解決方案。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信這種方案將會在未來得到更加廣泛的應(yīng)用，為城市環(huán)境衛(wèi)生的改善和智能化作業(yè)的推進(jìn)做出積極的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳凱無人駕駛技術(shù)在環(huán)衛(wèi)行業(yè)的應(yīng)用[J]專用汽車，2021（7）：74-77.

[2]SAE J1939 商用車控制系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)（CAN總線）通信協(xié)議[S].

[3]RFC 768 UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議[S]

[4]RFC 793 TCP傳輸控制協(xié)議[S].

[5]GB/T 28181-2011 安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)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(shè)計及自動化控制。