大家好，去年，一位客戶在其工業(yè)設(shè)施的出入口安裝了安全路樁，并要求我設(shè)計(jì)一個(gè)電子系統(tǒng)，以便通過控制塔經(jīng)由 TCP/IP 控制這些路樁。

本教程描述了我所遵循的過程，從初步構(gòu)思、制作原型，到最終交付給客戶的版本。

為工業(yè)用途設(shè)計(jì)設(shè)備需要精心準(zhǔn)備，并且必須使用經(jīng)批準(zhǔn)用于工業(yè)用途的材料和組件進(jìn)行構(gòu)建。

在本教程中，我將重點(diǎn)介紹使原型與具有商業(yè)或工業(yè)質(zhì)量的產(chǎn)品之間產(chǎn)生差異的關(guān)鍵點(diǎn)。

雖然從技術(shù)角度來(lái)看，問題的解決方案簡(jiǎn)化為控制一對(duì)繼電器，而且我們?cè)谑袌?chǎng)上可以找到無(wú)數(shù)現(xiàn)成的此類產(chǎn)品。但制作定制產(chǎn)品和滿足客戶需求是一個(gè)稍微復(fù)雜的過程。

對(duì)我來(lái)說(shuō)，區(qū)分原型和商業(yè)版本質(zhì)量的關(guān)鍵在于圖形用戶界面（GUI）的設(shè)計(jì)，這也是本教程中將詳細(xì)介紹的部分。

這里展示的想法可以修改并適應(yīng)任何可以通過繼電器控制的機(jī)電設(shè)備：水泵、車庫(kù)門、百葉窗、電動(dòng)門等。

如果您有改進(jìn)建議，請(qǐng)告訴我。

讓我們開始吧。

第一步：背景

“路樁是一種短柱，用于創(chuàng)建防護(hù)或建筑圍欄。當(dāng)主要作為視覺引導(dǎo)安裝時(shí)，路樁可以引導(dǎo)交通并標(biāo)記邊界。它們有各種各樣的形狀和風(fēng)格，以突出或在其環(huán)境中視覺上脫穎而出。路樁也可以設(shè)計(jì)成物理上阻止車輛入侵，保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)。這些安全路樁可能具有裝飾元素，或被選擇以與景觀相協(xié)調(diào)，但其主要考慮因素是抗沖擊力。路樁可以由幾乎任何材料制成，具體取決于其所需功能，但最常見的路樁材料是金屬、石頭、水泥或塑料?！?/span>

“自動(dòng)路樁”

“這種類型的路樁也稱為上升式或伸縮式路樁。這些是可伸縮的安全島護(hù)柱，它們可以升出地面以阻擋交通，或者收回地面以讓交通通過。大多數(shù)能在幾秒鐘內(nèi)伸展到最大高度，是管理交通和保護(hù)行人安全的一種有效、靈活的方式。自動(dòng)系船柱可由氣動(dòng)、液壓或電動(dòng)控制。這種選擇通常取決于特定地點(diǎn)的應(yīng)用和用途。這些護(hù)柱由碳鋼或不銹鋼制成，通常有多種不同的表面。自動(dòng)路樁永久安裝在地下，需要定期維護(hù)。自動(dòng)安全島路樁的主要用途自動(dòng)安全島路樁非常適合交通流量不斷變化的情況，入口和出口可能會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化。自動(dòng)路樁的實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)例子可能是停車庫(kù)或停車場(chǎng)。它們也非常適合用在博物館、動(dòng)物園或其他公共設(shè)施的入口處，這些地方在特定時(shí)間后禁止進(jìn)入?！?/span>

第二步：客戶訪談

在研究了所有關(guān)于路樁的信息后，我要求與客戶進(jìn)行第一次訪談，以收集能讓我了解客戶需求的信息。

在與客戶會(huì)面前，準(zhǔn)備一份簡(jiǎn)要的技術(shù)規(guī)格書，說(shuō)明項(xiàng)目構(gòu)想，以便客戶對(duì)他將要接收的產(chǎn)品有一個(gè)大致的了解。

接下來(lái)，向客戶詢問以下信息：

路樁的品牌和型號(hào)

路樁安裝手冊(cè)的副本

要安裝的路樁數(shù)量

路樁的安裝位置

如何以及由誰(shuí)控制設(shè)施的出入口

設(shè)施和設(shè)備的標(biāo)識(shí)或名稱

所需控制系統(tǒng)的要求

系統(tǒng)交付時(shí)間

第三步：分析客戶信息 - （內(nèi)容）

客戶向我提供了要安裝的路樁的品牌和型號(hào)及其手冊(cè)。

客戶型號(hào)是帶有液壓驅(qū)動(dòng)的 Access PRO Bollard XB220H06K。該路樁有一個(gè)控制箱，用于處理液壓泵和一個(gè)執(zhí)行上下移動(dòng)的活塞?；钊袃蓚€(gè)限位開關(guān)，一個(gè)位于完全縮回位置，另一個(gè)位于完全伸出位置，用于向控制系統(tǒng)指示其位置。它還有兩個(gè)連接口，用于放置手動(dòng)操作鍵盤。閱讀手冊(cè)后，確定了手動(dòng)鍵盤的連接點(diǎn)，以及縮回位置的限位開關(guān)。

第四步：分析客戶信息 - （位置）

客戶場(chǎng)所的兩個(gè)出入口控制區(qū)將安裝 7 個(gè)路樁。主出入口控制區(qū)（ACCESS AREA “A”）由三條車輛通行路線組成：一條入口路線和一條出口路線，每條路線各有三個(gè)出入口車道。該區(qū)域?qū)惭b 4 個(gè)路樁：入口區(qū) 2 個(gè)，出口區(qū) 2 個(gè)。

第二個(gè)出入口控制區(qū)（ACCESS AREA “B”）由三條單車道通行路線組成：一條入口、一條出口和一條雙向路線。該區(qū)域?qū)惭b 3 個(gè)路樁。

出入口控制亭之間的距離為一公里。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，為每個(gè)路樁分配了一個(gè) ID。該標(biāo)識(shí)由客戶制定：

ACCESS AREA "A"

入口區(qū):

路樁1 ID: CAS01-B01-EA

路樁2 ID: CAS01-B02-ET

出口區(qū):

路樁3 ID: CAS01-B03-ST

路樁4 ID: CAS01-B04-SA

ACCESS AREA “B”

入口區(qū):

路樁5 ID: CAS02-B01-SA

出口區(qū):

路樁6 ID: CAS02-B02-ST

雙向區(qū):

路樁7 ID: CAS02-B03-E/S-AT

第五步：分析客戶信息 - 具體要求

客戶需要一個(gè)通過以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)使用 TCP/IP 通信協(xié)議操作路樁的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)必須有一個(gè)手動(dòng)鍵盤，以便在控制系統(tǒng)或通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)能夠本地操作系統(tǒng)。圖形用戶界面（GUI）必須友好且易于使用，并且必須能夠監(jiān)控每個(gè)路樁的狀態(tài)，以及指示溫度、可用內(nèi)存和所提供控制系統(tǒng)的狀態(tài)。

控制系統(tǒng)必須有一個(gè)觸摸屏，以便能夠本地操作系統(tǒng)。

設(shè)備將放置在出入口控制亭內(nèi)。

完成項(xiàng)目的時(shí)間為 40 天。

為了下訂單，客戶需要評(píng)估一個(gè)原型。

第六步：構(gòu)思

在分析了客戶數(shù)據(jù)后，下一步是選擇一個(gè)能夠高效、快速且優(yōu)雅地執(zhí)行所有所需任務(wù)的微控制器。我選擇使用樹莓派 3B+，因?yàn)槲抑霸褂迷撐⒖刂破骱?NODE RED 編程過一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人。因此，下一步是確定系統(tǒng)架構(gòu)。是使用一個(gè)樹莓派控制所有路樁，還是為每個(gè)路樁使用一個(gè)樹莓派。我決定采用一個(gè)中間點(diǎn)，即為每 3 個(gè)路樁設(shè)計(jì)一個(gè)控制箱。

考慮到這些因素，基本設(shè)計(jì)如下：

一個(gè)帶有 3.5” LCD 觸摸屏的樹莓派、一個(gè) 8 通道 5V 繼電器模塊、一個(gè) 5 VDC 電源和用于電氣連接的接線端子，所有這些都放置在一個(gè)具有 IP65 防護(hù)等級(jí)的 ABS 塑料外殼中。

基本想法確定后，是時(shí)候規(guī)劃接下來(lái)的步驟了：

采購(gòu)材料

在樹莓派上安裝軟件

編寫路樁控制程序

構(gòu)建客戶評(píng)估原型

第七步：原型部件和工具

部件：

樹莓派 3B+

樹莓派 3.5" LCD 觸摸屏

8 通道 5V 繼電器模塊

5 VDC / 3 AMP 墻插電源

DIN 導(dǎo)軌

接線端子（Weidmuller 1020100000 WDU 4）

表面式雙孔插頭 EG78V

ABS NEMA IP66 外殼

AWG 14 電纜

工具：

電烙鐵

螺絲刀

第八步：軟件：RASPBIAN 安裝

在本節(jié)中，我將向您展示如何為樹莓派安裝操作系統(tǒng)。不過，我不知道您是樹莓派專家還是初學(xué)者。

如果您是專家，本節(jié)可能對(duì)您沒有太大幫助，您可以直接跳到 GUI 設(shè)計(jì)部分。但如果您是初學(xué)者，那么最好與專家一起學(xué)習(xí)。因此，我建議您下載《官方樹莓派初學(xué)者指南》雜志。

雜志的“附錄 A”介紹了如何在 micro SD 存儲(chǔ)卡上安裝操作系統(tǒng)。

第九步：軟件：NODE RED 安裝

Node-RED 是一種編程工具，用于以新穎有趣的方式將硬件設(shè)備、API 和在線服務(wù)連接在一起。

它提供了一個(gè)基于瀏覽器的編輯器，可以輕松使用調(diào)色板中的各種節(jié)點(diǎn)連接流程，并可以一鍵部署到運(yùn)行時(shí)。

Node-RED 提供了一個(gè)基于瀏覽器的流程編輯器，可以輕松使用調(diào)色板中的各種節(jié)點(diǎn)連接流程。流程可以一鍵部署到運(yùn)行時(shí)。

可以在編輯器中使用富文本編輯器創(chuàng)建 JavaScript 函數(shù)。內(nèi)置庫(kù)允許您保存有用的函數(shù)、模板或流程以供重用。

NODE RED 安裝：

我們希望 Node-RED 在樹莓派啟動(dòng)或重啟時(shí)運(yùn)行。通過運(yùn)行以下命令啟用服務(wù)自動(dòng)啟動(dòng)：

sudo systemctlenablenodered.service

為了在樹莓派啟動(dòng)時(shí)在瀏覽器中運(yùn)行程序，請(qǐng)?jiān)诮K端中輸入：

$sudo nano .bashrc

并在文件末尾添加以下內(nèi)容：

chromium-browser —kiosk127.0.0.1:1880/ui/#!/1

第十步：FRED：Node Red 的字體編輯器

我們已經(jīng)完成了樹莓派和 Node-RED 的安裝。

我們可以繼續(xù)在樹莓派上工作，但出于重要原因，我們建議在外部計(jì)算機(jī)上繼續(xù)開發(fā)程序，并在程序準(zhǔn)備好并調(diào)試完成后，再將其遷移到樹莓派上。使用獨(dú)立開發(fā)計(jì)算機(jī)的原因包括：

1.這是我們正在開發(fā)的商業(yè)產(chǎn)品，因此我們希望樹莓派上只有客戶端程序代碼，沒有其他內(nèi)容。

2.在程序開發(fā)過程中，我們通常會(huì)下載大量額外的軟件來(lái)開發(fā)程序和測(cè)試代碼，我們不希望這些程序出現(xiàn)在客戶端的樹莓派上。

3.在開發(fā)階段，我們會(huì)進(jìn)行大量在線查詢，我們不希望所有這些數(shù)據(jù)流、cookie、下載等出現(xiàn)在樹莓派上。

我在 Node-RED 中使用的開發(fā)工具是 FRED。

如果您還沒有 FRED（Cloud Node-RED）賬戶，請(qǐng)立即注冊(cè)一個(gè)。演示賬戶是免費(fèi)的，可用于本教程和您可能進(jìn)行的任何其他實(shí)驗(yàn)。在http://fred.sensetecnic.com注冊(cè)免費(fèi)賬戶。

注冊(cè)后，請(qǐng)務(wù)必通過電子郵件激活您的賬戶。在驗(yàn)證賬戶之前，您將無(wú)法登錄。

雖然 FRED 沒有樹莓派的 GPIO 組件，但這些組件可以模擬：rpi-gpio in 節(jié)點(diǎn)可以用 inject 輸入節(jié)點(diǎn)模擬，rpi-gpio out 節(jié)點(diǎn)可以用 debug 輸出節(jié)點(diǎn)模擬。

不過，您無(wú)需安裝 FRED，也可以繼續(xù)在樹莓派的 Node-RED 上工作。

第十一步：軟件：圖形用戶界面（GUI）

我們已經(jīng)安裝了操作系統(tǒng)和 NODE RED 編程軟件，現(xiàn)在可以開始編寫構(gòu)成程序的代碼行了。但想法是什么？我們從哪里開始？雖然從硬件角度來(lái)看，系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單：一個(gè)控制繼電器的樹莓派，但項(xiàng)目中最長(zhǎng)且最復(fù)雜的部分是圖形界面設(shè)計(jì)。

通過 TCP/IP 控制路樁的最簡(jiǎn)單方法是使用 NODE RED 的開關(guān)組件。然而，這并不是交付 GUI 設(shè)計(jì)的專業(yè)和商業(yè)方式。我決定以最真實(shí)的方式進(jìn)行圖形控制，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)可以動(dòng)畫顯示的路樁圖像，模擬其升降，并用顏色指示路樁狀態(tài)：

紅色：表示路樁正在升起或處于完全伸出位置。

綠色：表示路樁已完全縮回。

動(dòng)畫通過位于界面頂部和底部的兩個(gè)按鈕激活。頂部按鈕為紅色，標(biāo)有“UP”（升起），底部按鈕為綠色，標(biāo)有“DOWN”（降下）。我使用了 NODE RED 的 TEMPLATE 節(jié)點(diǎn)，其中嵌入了 CSS 和 HTML 程序源代碼。為了更好地理解這部分代碼，讓我們看看它的三個(gè)主要部分：“style”（CSS）、“body”和“script”。

第十二步：GUI - “style” 部分

CSS 是一種描述 HTML 文檔樣式的語(yǔ)言。

CSS 描述了 HTML 元素應(yīng)如何顯示。

CSS 可以通過三種方式添加到 HTML 元素中：

內(nèi)聯(lián)：通過在 HTML 元素中使用 style 屬性。

內(nèi)部：通過在 “head” 部分使用 “style” 元素。

外部：通過使用外部 CSS 文件。

我們將使用內(nèi)部方式：