黃明，黃銘銘，譚卓仁，朱均賢，朱峻欒，林舜宜，張建民

（1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020；2.五邑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，廣東 江門 529020）

高校校園人口密度高，垃圾產(chǎn)量較大，如何及時(shí)處理及分類垃圾成為校園衛(wèi)生亟待解決的問題.隨著智慧校園在高校的推廣與建設(shè)，智能垃圾桶監(jiān)測系統(tǒng)將成為管理高校校園內(nèi)垃圾的有效途徑之一，對高校衛(wèi)生管理具有現(xiàn)實(shí)意義.

本文提出了一種應(yīng)用于校園的智能垃圾桶檢測系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的垃圾桶主要用于收集可回收垃圾，如塑料制品及廢紙等. 采用距離、壓力等傳感器作為垃圾桶內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器，并利用窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，通過云端對垃圾桶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制[1-2]. 本方案還開發(fā)了基于Android 的手機(jī)應(yīng)用程序，引入用戶投遞垃圾積分激勵(lì)機(jī)制，提高用戶分類垃圾的積極性. 此外，本文設(shè)計(jì)的分類垃圾桶還具有顯示屏及語音提示功能、垃圾自動(dòng)封裝功能等，從而提升用戶的操作體驗(yàn)及環(huán)衛(wèi)工人的回收效率，以實(shí)現(xiàn)更加便捷高效的垃圾桶的管理和監(jiān)測.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分，其中硬件主要包括NB-IoT 的控制硬件及分類垃圾桶的監(jiān)測控制硬件，軟件部分主要包括服務(wù)器端及用戶手機(jī)APP 端，服務(wù)器端能控制監(jiān)測各個(gè)垃圾桶，手機(jī)APP 能夠查看用戶投遞的時(shí)間、積分等信息. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為NB-IoT 的控制和垃圾桶的監(jiān)測控制兩部分，主要模塊包括超聲波傳感器、壓力傳感器、射頻感應(yīng)模塊、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、語音合成模塊、LCD 液晶顯示模塊、M5311 通信模塊等. 主控采用基于CortexM3 內(nèi)核的嵌入式控制芯片STM32F103VET6 實(shí)現(xiàn)與各模塊之間的連接，同時(shí)配備了1. 5 寸的液晶顯示屏. 垃圾桶由可充電鋰電池與太陽能板供電. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示.

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1 NB-IoT 的控制硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用NB-IoT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能. 本系統(tǒng)采用M5311 作為通信模塊，M5311 是基于MTK 芯片平臺開發(fā)的一款價(jià)格便宜且性能高、功耗低的NB-IoT 無線通信模塊，整個(gè)模塊能在2.1 ～ 3.6 V的低電壓工作，供電由鋰電池及太陽能面板提供，具有較強(qiáng)的續(xù)航能力. 單片機(jī)通過TTL串口與模塊進(jìn)行通信，并通過AT 指令集做簡單配置及發(fā)送請求，利用NB 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議傳輸?shù)皆贫说腅MQ 平臺上，實(shí)時(shí)對垃圾桶進(jìn)行監(jiān)測[3].

2.2 垃圾桶的監(jiān)測控制硬件設(shè)計(jì)

垃圾桶的監(jiān)測功能主要包括重量監(jiān)測、滿溢監(jiān)測、投遞用戶身份識別、垃圾自動(dòng)封裝、桶蓋自動(dòng)開合和語音提示等. 系統(tǒng)通過MFRC-522 射頻感應(yīng)模塊及掃描桶身二維碼實(shí)現(xiàn)身份識別，同時(shí)運(yùn)用XFS5152CE 訊飛語音合成模塊實(shí)現(xiàn)語音提示功能，進(jìn)一步提升用戶的交互體驗(yàn). 當(dāng)用戶身份識別正確后，利用舵機(jī)控制垃圾桶開蓋. 系統(tǒng)使用了壓力傳感器和超聲波傳感器對桶內(nèi)的重量及滿溢的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，同時(shí)通過NB 網(wǎng)絡(luò)將用戶投遞及垃圾桶裝載情況發(fā)送給用戶和工作人員.

分類垃圾桶運(yùn)用L298N 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及發(fā)熱裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封裝垃圾袋[4].自動(dòng)封裝采用熱封裝的形式，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收到單片機(jī)的脈沖信號后，電機(jī)控制滑塊移動(dòng)，加熱棒對垃圾袋進(jìn)行熱封裝. 單片機(jī)通過NB-IoT 模組發(fā)送回收和位置信息到服務(wù)器端[5-6]. 垃圾桶外部結(jié)構(gòu)及三維視圖如圖3 所示.

圖3 垃圾桶外部結(jié)構(gòu)及三維視圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)垃圾桶與服務(wù)器、APP 的同步數(shù)據(jù)更新及稱重積分等功能. 在STM32 主控中引入了μCOS 操作系統(tǒng)，μCOS 是一種基于優(yōu)先級的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有很好的可移植性，可實(shí)現(xiàn)搶占式多任務(wù)的協(xié)調(diào)執(zhí)行. 垃圾桶上電啟動(dòng)后進(jìn)行初始化操作，同時(shí)創(chuàng)建功能任務(wù)、分配任務(wù)優(yōu)先級、設(shè)置堆棧以及啟動(dòng)操作系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，執(zhí)行相關(guān)的任務(wù)[7]. 流程圖如圖4 所示.

為提高用戶投遞可回收垃圾的積極性，系統(tǒng)引入用戶投遞垃圾積分激勵(lì)機(jī)制. 用戶投放入桶的垃圾重量將按比例轉(zhuǎn)為用戶積分，積分累積在手機(jī)APP 上. 用戶投遞垃圾入桶后，系統(tǒng)通過滑動(dòng)均值濾波法得到稱重?cái)?shù)據(jù)，然后上傳云端服務(wù)器，并換算出對應(yīng)重量的積分?jǐn)?shù)，記錄到用戶數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)稱重積分功能，如圖5 所示.

圖4 主程序流程圖

3.1 重要任務(wù)的算法設(shè)計(jì)

對于滿溢監(jiān)測任務(wù)，為了適當(dāng)降低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，考慮采用滑動(dòng)均值濾波法來進(jìn)行濾波，既提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，又提升了對垃圾滿載測量的精確度. 首先通過多次測量，不斷剔除舊測量值并加入新測量值取平均，從而保證數(shù)據(jù)的平滑，消除數(shù)據(jù)抖動(dòng)[8]. 垃圾袋熱封裝的過程包含加速、勻速以及減速的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，因此系統(tǒng)采用S 曲線加減速控制方法，通過設(shè)定的高級定時(shí)器在向上計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)置的次數(shù)時(shí)，對CPU 發(fā)出中斷信號，轉(zhuǎn)入中斷程序，并令計(jì)數(shù)值清零，通過實(shí)時(shí)計(jì)算曲線得到電機(jī)運(yùn)行所需的脈沖頻率，將頻率計(jì)算得出定時(shí)器的自動(dòng)重裝載值并以數(shù)組的方式保存，利用該數(shù)組表來完成步進(jìn)電機(jī)的加減速任務(wù)[9].

3.2 服務(wù)器及手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

云端服務(wù)器使用阿里云1 核2G 服務(wù)器并搭建使用EMQX 消息服務(wù)器. 首先通過AT 指令給NB-IoT 模塊配置服務(wù)器信息. 然后在EMQ 平臺上設(shè)置設(shè)備號ID 及設(shè)備密鑰，同時(shí)添加訂閱及發(fā)布，最后通過消息服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新垃圾桶數(shù)據(jù)的功能.

我們采用Android studio 軟件開發(fā)了一款基于Android 的手機(jī)應(yīng)用程序，該APP 主要實(shí)現(xiàn)用戶身份識別，投遞積分查詢及相關(guān)信息查詢等功能，APP 界面如圖6 所示.

圖5 稱重積分使用原理圖

圖6 APP 界面圖

4 系統(tǒng)測試

我們將分類垃圾桶布置在校園內(nèi)光照條件較好的校道上，成功實(shí)現(xiàn)了垃圾桶與服務(wù)器、手機(jī)端之間的連接. 經(jīng)測試，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收和控制效果良好，能夠正常實(shí)現(xiàn)滿溢檢測、預(yù)警及開合蓋等功能.

消息服務(wù)器共運(yùn)行105 天，數(shù)據(jù)收發(fā)成功率為100%，運(yùn)行狀態(tài)良好，且服務(wù)器CPU 占用率保持在15%以下，連接穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大幅波動(dòng)，證明該系統(tǒng)能夠在較長時(shí)間下平穩(wěn)可靠運(yùn)行，但是目前由于實(shí)驗(yàn)用戶數(shù)限制，還沒有進(jìn)行大并發(fā)數(shù)據(jù)測試，下一步我們將提升數(shù)據(jù)量及分類垃圾桶數(shù)量，進(jìn)一步測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)高校分類垃圾桶的監(jiān)測系統(tǒng)，利用NB-IoT 將高校的垃圾分類與校園監(jiān)控中心建立聯(lián)系，后臺工作人員能通過客戶端及時(shí)獲取每個(gè)垃圾桶的滿溢情況和用戶投遞信息并控制垃圾桶開合，有效解決了高校的分類垃圾監(jiān)測和管理難的問題，同時(shí)加入的身份識別、稱重、自動(dòng)封裝等功能，初步實(shí)現(xiàn)了分類垃圾桶的智能化，能夠較好地監(jiān)測和管理高校的分類垃圾桶，推廣垃圾分類并促進(jìn)智慧校園的發(fā)展. 但目前還無法識別投遞的垃圾，下一步，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)增加監(jiān)測傳感器，使監(jiān)測功能更加完備，同時(shí)將進(jìn)一步完善垃圾識別和用戶識別功能，并將擴(kuò)大電池容量，提高分類垃圾桶的續(xù)航能力.