摘要：在食品加工行业，若防护水靴没有及时清洗干净，极易造成细菌滋生，造成对食品的污染。设计了一种基于ARM Cortex-M3单片机为核心，应用RFID技术和无线串口WiFi技术设计而成的水靴自动清洗系统。该系统能够实现对防护水靴的自动清洗和对工人水靴清洗状况的综合管理。经测试与应用表明，系统性能稳定可靠，能够大幅度节省人力，并能提高管理的效率。

0 引言

在食品行业的加工过程中，工人要穿水靴工作，如果不及时对这些相关企业工人的水靴内部及外部进行清洗，就极易造成水靴细菌滋生，污染食品。在厂矿、农业、化工等部门，由于工作环境的关系，导致工人的水靴内部极易脏污，外层容易附着易滑物质，如不及时清洗，很容易造成脚疾传染，危害工人的身体健康，而且会给生产过程带来不同程度的安全隐患。因此，特殊的工作环境对水靴内外的卫生提出了特定要求，水靴内部及外部的全面、及时清洗对相关企业来说是非常重要的。

通过对水靴自动清洗控制系统的设计，完成水靴的清洗、烘干，进而填补我国对水靴、其他鞋类、桶类形状物品的内部清洗的空白，提高我国清洗行业的市场竞争力，降低相应行业的清洗成本，减少其生产过程中的安全隐患，延长水靴使用寿命，促进我国食品加工等行业的健康发展。

1 系统设计原理

系统采用主机与从机协作方式实现自动化清洗功能，系统方案设计框图如图1所示。

主机采用固定结构安装，内有高压水枪和大功率加热风机，达到清洗和烘干的目的。从机采用轨道相对固定模式设计，多台从机分别安装在轨道上，用于放置待清洗的水靴。主机控制轨道的转动，使从机循环通过主机，达到对从机内待清洗的水靴进行清洗和烘干的目的。从机包括从机控制电路和清洗柜。从机安装在可以转动的轨道上，轨道的转动受主机控制电路的控制。

主机包括主机控制电路和清洗台，主机控制电路实现对清洗台和轨道的控制。清洗水靴放入从机清洗柜中。

通过轨道转动，使从机清洗柜到达主机清洗台的指定位置，通过主机控制电路控制清洗台实现对水靴的清洗和烘干。

1.1 主机控制电路

主机硬件结构如图2 所示。主机能识别从机的状态，对符合条件的从机清洗柜内的水靴进行清洗。主机通过WiFi接收从机信号，交由主机CPU进行处理：一方面对从机的清洗状态进行显示，另一方面启动轨道控制电路，使轨道转动。通过位置检测电路将到达指定位置从机内的水靴进行清洗、烘干操作。清洗完毕后轨道控制电路控制轨道转动，并将清洗完毕的信号，一方面送主机显示屏进行状态显示，另一方面将清洗完毕的信号经WiFi 送入从机CPU.用户通过RFID 刷卡方式在从机清洗柜中取出已清洗的水靴。主机CPU还能实现对循环水箱的控制，达到节能的目的。

1.2 从机控制电路

从机清洗柜主要用于放置水靴，刷卡接口电路采集待清洗等各种信息给主机，由主机完成清洗。用户通过刷卡接口电路刷卡，由从机CPU采集信号后，进行用户识别。合法用户的信息，如卡号和姓名等可以通过显示屏进行显示，同时将清洗请求信号通过WiFi发送给主机，非法用户则通过语音提示，告知用户并以蜂鸣器报警。从机硬件结构框图如图3所示。

2 系统硬件设计

系统的硬件部分主要包括单片机控制模块、RFID刷卡模块、串口WiFi模块三个部分。

2.1 单片机控制模块

为了达到系统控制要求，本系统采用了ST 公司基于Cortex - M3 内核的32 位增强型闪存微控制器STM32F-103VET6作为主控制器，Cortex-M3内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。

2.2 RFID刷卡模块

目前常用的有接触式刷卡方式和非接触式刷卡方式。接触式IC 卡是通过触点与外界的接触实现电气连接进行数据的读写，适用于用卡次数不多且环境较好的场合。RFID 无线射频识别技术的射频卡具有非接触、无磨损、操作方便，读/写频率高，使用寿命长，安全防冲突等优点。

从机具有刷卡管理功能，使用刷卡进行信号采集。

系统要求能够对用户在任意从机进行刷卡均可以识别该用户放靴的位置，这就需要对卡进行写入操作。由于ID刷卡方式只能读出，不能实现对卡进行写入操作，而采用IC 卡刷卡方式不仅可以读出而且可以写入，故本系统采用IC卡刷卡方式对用户进行管理。

当用户在从机中刷卡时，IC 卡读/写电路将用户姓名、卡号读出来送显示电路显示。同时将从机编号写入IC 卡中，实现用户在任意从机进行刷卡均可以识别该用户放鞋的位置。

2.3 串口WiFi模块

由于从机是安装在轨道上，并且随轨道转动，所以主机与从机只能通过无线信号传输。而主机具有检测从机内的水靴是否清洗过的功能，防止已清洗过的水靴进行第二次清洗。由于主机只具有RS 232 接口，故采用RS 485/RS 232 接口来实现从机RS 485 接口与主机接口进行通信来实现。

目前市场上主流的无线通信模块有NRF24L01、NRF905,ZigBee、串口WiFi几种。经过比较，该系统选用传输速度快、抗干扰能力强的串口WiFi模块。

WiFi（Wireless Fidlity）又称为802.11b 标准，使用2.4 GHz 直接序列扩频，最大传输速率为54 b/s,,在开放性区域，通信距离[4]可达305 m.它可以工作于命令工作模式和自动工作模式，本次使用自动工作模式。参数设置如表1所示。

通过上面的串口WiFi的设置，可以避免RS 485有线接口的缺点，实现从机与主机通信，进行从机状态的查询。

数据传输采用Modbus协议进行设计。该模块设置波特率为115 200 b/s,数据格式为：8 位数据位，1 位停止位，无奇偶校验位。

3 系统软件设计

系统软件采用模块化设计思想，以主程序为核心设置了多个功能模块子程序，简化了程序设计结构。各模块采用C语言进行编程，运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序来实现整个系统功能。

3.1 主机软件设计

主机系统设计流程如图4所示。主要包括开始、系统检测、执行清洗和烘干等模块组成。

（1）开始

当主机电源接通，清洗机处于待机状态，系统运行自检程序，通过传感器判断处于主机清洗位置的从机是否准确就位，水、气扫描杆退出从机（位于退出极限位置的初始位置），水泵启动。

（2）系统检测

如当前从机清洗柜内有水靴，则主机通过无线通信识别从机的状态，对符合条件从机内的水靴进行清洗。

主机必须先判断从机门是否关闭锁紧，惟有锁紧状态的从机能进入主机，否则轨道驱动电机立即停止，并发出报警信号。主机驱动轨道电机，带动轨道转动，将准备清洗的从机送入主机的准确位置。

（3）执行清洗和烘干

如当前从机清洗柜内有水靴且准备就绪，则扫描电机启动，扫描杆运行。电磁阀打开进行喷水，水靴清洗完成后，扫描杆回到初始位置。水靴清洗完毕后，轨道驱动电机启动，通过轨道电机转动将下一从机带入主机清洗位置，将当前清洗后的从机送入主机烘干位置，并准确就位后轨道驱动电机停止。执行烘干操作，烘干后的水靴由轨道电机送出烘干位置，同时与从机进行通信，清除清洗标记，等待用户刷卡取出水靴。

3.2 从机软件设计

从机软件程序流程图如图5所示，从机主要包括开始、用户刷卡，申请洗靴、清洗完毕，刷卡取水靴三个功能模块。

（1）开始

开机时系统自检，由于在电源关闭的情况下电磁门可以手动打开，所以开机时必须检测从机是否处于正常状态，所有从机清洗柜都必须处于空闲的状态才能通过系统自检。否则未处于此状态的从机蜂鸣器就会报警，从机门解锁，指示灯呈红色闪亮状态，等待管理员进行处理，处理好后从机发出锁定信号，警报解除完成自检。

（2）用户刷卡，申请洗靴

用户使用射频识别卡在绿色指示灯的从机刷卡器上刷卡后，经过初始上电复位、寻卡操作、通过防冲撞、密码验证后，读/写模块可以对该存储区的数据进行读、写、增值、减值以及挂起等操作。从机显示屏显示出分配给该用户的从机号码，同时显示用户姓名、清洗次数等信息，如果是合法用户此时该从机门处于解锁状态，指示灯为红色常亮状态。用户将自己的靴放入该从机清洗柜中，并且要求用户关闭柜门。从机将清洗请求信号发给主机，等待主机对水靴进行清洗。

（3）清洗水靴，刷卡取水靴

当从机就位后，主机控制轨道将该从机送入主机中，主机执行相应的清洗和烘干工作。当从机为已清洗状态，则不执行清洗或烘干动作（已经洗过的靴，不用洗第二次避免浪费资源）。从机中水靴在主机中进行清洗后，通过轨道从主机中送出，指示灯变为红色常亮。只要从机中还有未清洗的水靴，轨道都会转动。当所有从机中都没有待清洗的水靴时轨道停止转动。

当清洗完毕用户，通过任意工位刷卡，刷卡后主机显示屏上显示该用户的从机清洗位置，此时放水靴的从机指示灯闪亮，电磁锁解锁，用户找到该从机清洗柜取回自己的水靴。从机检测到两个工件都为空时立即发出锁定信号，门弹回后立即锁定，该从机即可执行下一次清洗任务。

4 系统测试与应用

在系统硬件设计和软件编程完成后，对整个系统进行了组装与初步调式，完成的系统的外观图如图6 所示。

通过对水靴自动清洗系统的设计达到了如下功能。

（1）从机采用射频识别技术，从机刷卡后能够判别用户情况、显示用户姓名、工位号。用户放入水靴能够进行识别，并进行申请清洗操作。

（2）主机能够实现自检、从机到位检测、水、气扫描杆位置检测功能，并对水靴进行自动清洗、消毒和烘干操作。

（3）从机清洗完毕后，通过从机通信电路能够实现在任意从机刷卡均可以识别该用户放水靴的位置；（4）主机能够识别从机状态（是否到位、未清洗、已清洗），不会对清洗过的水靴进行第二次清洗，实现预期的目标。

5 结语

本文通过设计利用STM32F-103VET6 单片机处理后，通过应用RFID 技术和无线WiFi串口进行通信，实现了一个主控系统对多个从控工位控制系统的控制与管理，能够完成对防护水靴的自动清洗和对清洗情况的记录等综合管理，改变了传统人工清洗方法费时费力且不利于管理的困难。该系统的食品加工、医药加工等使用防护水鞋的行业，具有很高的实用性，也具有很好的应用价值与应用前景。