馬國(guó)玉，江 冰，李光云，薛曉清

(1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022;2.常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022)

1 引言

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快，城市每年產(chǎn)生的垃圾也迅速增長(zhǎng)。為了便于垃圾收集而主要采用垃圾桶收集的方式，其數(shù)量多而且分布廣，特別是在一些人流量大、繁華的商業(yè)街，垃圾桶放置得更密集，且每個(gè)垃圾桶的垃圾量也更大。如果不進(jìn)行及時(shí)清理，造成垃圾堆積，將對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染和破壞［1］，甚至可能造成二次污染［2］。目前清潔工通過對(duì)垃圾桶逐個(gè)進(jìn)行巡視、清理，需要大量的人力和物力。雖有文獻(xiàn)提出智能垃圾桶設(shè)計(jì)，但沒有及時(shí)通知清潔工垃圾桶的使用狀況，出現(xiàn)清潔工無效勞動(dòng)的問題，影響城市環(huán)境管理效率。在我國(guó)，RFID技術(shù)在工廠生產(chǎn)、鐵路運(yùn)營(yíng)、倉儲(chǔ)物流、貴重品貿(mào)易、身份識(shí)別等領(lǐng)域得到長(zhǎng)足發(fā)展，但在城市環(huán)境管理領(lǐng)域卻沒有得到很好的應(yīng)用。因此智能檢測(cè)垃圾桶并通過RFID技術(shù)對(duì)清潔工的出勤情況進(jìn)行管理是十分必要的。

針對(duì)以上問題，本系統(tǒng)旨在通過采用超聲波傳感器對(duì)垃圾桶進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)超聲波檢測(cè)到垃圾與垃圾桶蓋的距離小于20cm時(shí)，短信通知對(duì)應(yīng)的清潔工，清潔工佩戴自己的電子標(biāo)簽去工作時(shí)，固定在馬路旁邊樹上的閱讀器會(huì)采集到標(biāo)簽信息，通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心。從而提高了清潔工的工作效率，也方便清潔工的管理工作。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常見的C/S(Client/Server)體系結(jié)構(gòu)。C/S結(jié)構(gòu)具有交互性強(qiáng)、提供數(shù)據(jù)和服務(wù)的無縫集成、提供高性能的業(yè)務(wù)處理以及更安全的存取模式等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)自下而上可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能

超聲波傳感器安裝在垃圾桶上方蓋子的內(nèi)側(cè)，通過監(jiān)測(cè)垃圾桶里垃圾到垃圾桶蓋的距離來判斷清潔工是否需要打掃。當(dāng)距離小于20cm時(shí)，將信息發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心的服務(wù)器上，服務(wù)器將接收的信息存在數(shù)據(jù)庫中。服務(wù)器內(nèi)設(shè)一個(gè)短信服務(wù)，該短信服務(wù)是一個(gè)Windows服務(wù)，可以增加安裝、卸載、啟動(dòng)、暫停。服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，通過GSM短信貓，向?qū)?yīng)的清潔工發(fā)送短信。收到短信的清潔工胸前佩戴一個(gè)內(nèi)置電子標(biāo)簽的工號(hào)牌，每一個(gè)電子標(biāo)簽具有唯一的ID號(hào)作為認(rèn)證標(biāo)識(shí)。在清潔工清理的街道，根據(jù)需要在路邊適當(dāng)布置電子標(biāo)簽閱讀器，對(duì)每個(gè)閱讀器設(shè)置編號(hào)并記錄不同編號(hào)的閱讀器放置地點(diǎn)。當(dāng)攜帶電子標(biāo)簽的清潔工經(jīng)過閱讀器監(jiān)控范圍時(shí)，CPU控制閱讀器通過無線方式讀入電子標(biāo)簽中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送到3G模塊，3G模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)記錄下清潔工每天出勤次數(shù)、地點(diǎn)、時(shí)間等信息功能。

3 系統(tǒng)核心模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的各功能模塊工作流程框圖如圖2所示。核心模塊是傳感器模塊、射頻模塊和3G通信模塊。

圖2 系統(tǒng)模塊工作框圖

3.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

超聲波傳感器HC－SR04的基本原理采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10μs的高電平信號(hào);模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回;若有信號(hào)返回，通過IO口ECHO引腳輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間t為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

測(cè)試距離S如式(1)所示:

V聲即聲音在空氣中傳播的速度，為340m/s。本模塊使用方法簡(jiǎn)單，一個(gè)控制口發(fā)一個(gè)10μs以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一旦有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)接收口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，根據(jù)此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離。如此不斷的循環(huán)測(cè)量，即可以獲得需要測(cè)量的值。傳感器處理芯片選用美國(guó) TI公司CC2530 芯片［3］，它集成了8051 單片機(jī)內(nèi)核［4］，是專門針對(duì)IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟(jì)且低功耗。

超聲波采集數(shù)據(jù)先發(fā)送到CC2530終端節(jié)點(diǎn)，然后發(fā)送給CC2530協(xié)調(diào)器。傳感器與CC2530芯片引腳設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.2 射頻模塊設(shè)計(jì)

射頻模塊為閱讀器和標(biāo)簽。閱讀器選用核心芯片CC1101和ARM芯片LPC2366.外圍電路主要包括指示燈電路、聲音提示電路、電源供電電路、串口通信電路等。閱讀器模塊框圖如圖4所示。

RFID讀寫器核心設(shè)計(jì)思路為:射頻收發(fā)模塊，即以CC1101為核心的硬件電路，主要完成與電子標(biāo)簽及主控模塊ARM芯片 LPC2366之間的通信;與有源電子標(biāo)簽采用無線鏈路連接，通信媒介為天線。主控模塊，即以ARMLPC2366為核心芯片的硬件電路，LPC2366通過串口通信接收RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)，另一端采用RS232串口通信，將數(shù)據(jù)以傳輸速率為9600b/s發(fā)送給3G模塊，通過3G無線網(wǎng)絡(luò)將標(biāo)簽數(shù)據(jù)發(fā)送到終端計(jì)算機(jī)。

標(biāo)簽選擇有源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源。有源標(biāo)簽這一特點(diǎn)使得有源RFID具有發(fā)射功率低、通信距離長(zhǎng)、傳輸數(shù)據(jù)量大、可靠性高和兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)通信距離可達(dá)全方位80米，工作頻率為超高頻433MHz，繞射性好，可同時(shí)讀取多個(gè)標(biāo)簽。

圖3 傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

3.3 3G通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊選用3G無線傳輸方式，3G通信模塊是本地控制器接入3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的接口，也是實(shí)現(xiàn)本地控制器與監(jiān)控中心無線雙向通信的關(guān)鍵部件，3G無線傳輸方式與傳統(tǒng)的有線方式相比，具有很好的抗干擾性能，以較低的功率、較高的帶寬發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率快等特點(diǎn)。相對(duì)2.5G(GPRS/CDMA1x)100k左右的速度，3G傳輸速度能夠達(dá)到300k － 1M 左右［5］。CDMA2000、WCDMA 和 TD—SCDMA被認(rèn)為是3G的三大主流標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用阿達(dá)爾公司的高性能工業(yè)級(jí)CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)的3G無線模塊，高性能的32位嵌入式處理器，內(nèi)嵌完備的TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)提供1個(gè)10/100M自適應(yīng)RS232串口。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在清潔工管理系統(tǒng)中，通過3G模塊傳輸?shù)睦吧系膫鞲衅鲾?shù)據(jù)和清潔工的射頻標(biāo)簽信息，由上位機(jī)PC端匯總后，需要一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。本系統(tǒng)監(jiān)控中心選用Visual studio 2008作為開發(fā)平臺(tái)，以Microsoft office Access2007作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺(tái)，采用C#語言開發(fā)一個(gè)無線接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理的清潔工智能管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

4.1 3G模塊與服務(wù)器端的通信

基于Socket實(shí)現(xiàn)了3G無線接收垃圾桶信息及清潔工工作信息。Socket是網(wǎng)絡(luò)通信的基本構(gòu)件，提供了不同主機(jī)間進(jìn)程雙向通信的端點(diǎn)，其接口可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與TCP/IP協(xié)議的交互。套接字之間的連接過程可以分為三個(gè)步驟:服務(wù)器監(jiān)聽，客戶端請(qǐng)求、連接確認(rèn)。

部分核心程序如下:

ServerInfo=new IPEndPoint(IPAddress.Parse(this.textBox1.Text)，Convert.ToInt32(this.text-Box2.Text));

ServerSocket=new Socket(AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp);ServerSocket.Bind(ServerInfo);

ServerSocket.Listen(50);

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用了集中式中央數(shù)據(jù)庫模型，使所有清潔工、垃圾桶的信息都儲(chǔ)存在1個(gè)中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。Web服務(wù)器和3G應(yīng)用服務(wù)器均使用數(shù)據(jù)訪問應(yīng)用編程接口ADO.NET實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接。

系統(tǒng)將清潔工的工作信息存入歷史工作記錄中，數(shù)據(jù)庫對(duì)此記錄進(jìn)行自動(dòng)處理。當(dāng)同一名清潔工在一小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)超過2次時(shí)，數(shù)據(jù)庫自動(dòng)刪除此人多余的工作記錄，這樣既能避免數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)冗余，又能記錄每位清潔工的工作情況，方便查詢。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選用筆者所在地區(qū)某街道的2個(gè)空垃圾箱作為實(shí)驗(yàn)垃圾箱，分別記為1號(hào)、2號(hào)。垃圾箱將要滿時(shí)，監(jiān)控中心立即收到信息，1號(hào)垃圾箱垃圾到蓋頂距離是14.32cm，監(jiān)控中心調(diào)用數(shù)據(jù)庫，給負(fù)責(zé)1號(hào)垃圾箱的清潔工張三發(fā)短消息。張三接到信息后立即前去清理，監(jiān)控中心顯示兩分鐘內(nèi)接收到張三在1號(hào)垃圾箱所在的街道工作。監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)如下圖6所示。

圖6 監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)表明，此系統(tǒng)精確度高，在收到垃圾箱將滿信息的五分鐘之內(nèi)，清潔工能及時(shí)對(duì)垃圾箱進(jìn)行處理。不僅有效保護(hù)城市衛(wèi)生，同時(shí)避免了清潔工的無效勞動(dòng)，也方便了管理人員對(duì)清潔工工作的監(jiān)督管理。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、3G無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了垃圾桶的自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)清潔工的出勤情況自動(dòng)管理，減少了清潔工的無效勞動(dòng)，提高了工作效率。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是對(duì)每個(gè)垃圾桶和清潔工添加唯一的身份識(shí)別，并加以分類整合，形成井然有序的城市大網(wǎng)，從而對(duì)環(huán)境工作實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。該系統(tǒng)不僅提高了城市環(huán)境管理工作的效率，而且能夠服務(wù)于廣大人民群眾。

本系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、智能化和精確度高等特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足了經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性雙重要求，具有較好的推廣使用價(jià)值。

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