黃鳳英，徐天行，葉秀斌

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105）

0 引 言

公共紙盒在人們的日常生活中隨處可見，但是由于缺少相應(yīng)的管理機(jī)制，許多使用者無(wú)節(jié)制地取紙，造成了大量的資源浪費(fèi)。雖然大部分公共紙盒都添加了環(huán)保標(biāo)語(yǔ)，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分取紙者無(wú)視環(huán)保標(biāo)語(yǔ)，隨意取紙，如圖1所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過97%的用戶都經(jīng)歷過紙盒缺紙的情況，其中66%的用戶發(fā)現(xiàn)投放擦手廢紙的紙簍中干紙量較多，如圖2所示。根據(jù)以上調(diào)查分析，不受控制的取紙往往會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和用紙不便。

圖1 隨意取紙

圖2 紙巾浪費(fèi)

另外，目前公共場(chǎng)所投放的傳統(tǒng)紙盒存在以下問題：一是部分用戶隨意取紙，造成用紙浪費(fèi)[1]，產(chǎn)生多余廢紙垃圾，造成了資源的浪費(fèi)，影響環(huán)保事業(yè)的發(fā)展；二是在使用過程中經(jīng)常因?yàn)槿奔埥o用戶造成極大不便，需要后勤人員自主地巡視衛(wèi)生紙是否用完，以便及時(shí)補(bǔ)裝，這種后勤管理方式效率低下；三是由于缺乏相應(yīng)的監(jiān)管機(jī)制，后勤保潔人員將準(zhǔn)備更換或者未使用完畢的衛(wèi)生紙占為己有，造成對(duì)公共資源的盜用。

本文設(shè)計(jì)的基于樹莓派的智能公共紙盒結(jié)合了當(dāng)前公共紙盒普遍面臨的問題，充分考慮取紙用戶的使用需求，為各公共衛(wèi)生場(chǎng)所提供了一款智能化的公共紙盒。其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)公共紙盒的自動(dòng)出紙、控制出紙長(zhǎng)度和換紙功能，通過聯(lián)網(wǎng)還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程管理和數(shù)據(jù)記錄的功能。

1 系統(tǒng)總體框架

本文設(shè)計(jì)的基于樹莓派的智能公共紙盒系統(tǒng)是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、WiFi無(wú)線通信技術(shù)、Web開發(fā)和數(shù)據(jù)庫(kù)等前沿技術(shù)的遠(yuǎn)程紙盒管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，硬件上由各部分的超聲波傳感器模塊實(shí)現(xiàn)各部分的功能：出紙口的超聲波傳感器感應(yīng)出紙，測(cè)距超聲波傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至主控平臺(tái)中；主控平臺(tái)將接收到的數(shù)據(jù)通過自身搭載的WiFi模塊傳輸至已建立TCP/IP連接的云服務(wù)器中，云服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)存入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中；管理人員可以在Web端對(duì)設(shè)備和工作人員進(jìn)行管理[2]?；跇漭傻闹悄芄布埡邢到y(tǒng)的方案設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 智能公共紙盒系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以樹莓派為主控平臺(tái)，搭配板載WiFi模塊、二相混合式步進(jìn)電機(jī)和2個(gè)超聲波傳感器[3]，組成完整的硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)硬件部分自動(dòng)出紙、出紙量可控和紙張余量檢測(cè)的功能。硬件系統(tǒng)整體框圖如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)整體框圖

本設(shè)計(jì)采用樹莓派Zero W作為主控平臺(tái)，它采用BCM2835芯片（1 GHz ARM11內(nèi)核），有著512 MB的內(nèi)存，同時(shí)板載了WiFi模塊[4]。以樹莓派Zero W作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)能夠節(jié)省開發(fā)者搭建硬件的時(shí)間，使得開發(fā)者更加專注于創(chuàng)意設(shè)計(jì)、算法細(xì)節(jié)和程序編寫，使創(chuàng)作的產(chǎn)品更加穩(wěn)定[5]。

本設(shè)計(jì)采用樹莓派Zero W自帶的WiFi模塊實(shí)現(xiàn)智能公共紙盒和云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，多臺(tái)紙盒設(shè)備可同時(shí)聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器進(jìn)行通信，達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控管理的效果。

本設(shè)計(jì)采用了2個(gè)型號(hào)為HC-SR04的超聲波傳感器作為感知模塊。第1個(gè)超聲波傳感器裝配于出紙口下方，當(dāng)該超聲波傳感器被觸發(fā)時(shí)，樹莓派將控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)程序[6-7]進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出紙功能；第2個(gè)超聲波傳感器裝置于紙盒內(nèi)壁，用于檢測(cè)其到卷紙筒的距離，并將檢測(cè)到的數(shù)值返回樹莓派平臺(tái)計(jì)算紙張余量，之后聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。

在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)出紙口處的傳感器被觸發(fā)時(shí)，樹莓派將給予步進(jìn)電機(jī)電脈沖信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)“步距角”[5]，并在獲取當(dāng)前卷紙厚度的同時(shí)帶動(dòng)卷紙紙筒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)紙盒自動(dòng)吐出固定長(zhǎng)度的卷紙。若該功能的傳感器未被觸發(fā)，步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)卷紙紙筒被固定，紙盒無(wú)法出紙。固定出紙長(zhǎng)度功能是由余量檢測(cè)的超聲波傳感器和樹莓派的控制配合實(shí)現(xiàn)[8]，樹莓派使用周長(zhǎng)計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)每次出紙長(zhǎng)度相同，轉(zhuǎn)動(dòng)角度[9]計(jì)算公式為：

式中：D為卷紙軸到余量檢測(cè)傳感器的距離；d為當(dāng)前傳感器檢測(cè)到的距離；N為出紙長(zhǎng)度；n為單次轉(zhuǎn)動(dòng)角度。步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行出紙操作后，樹莓派將會(huì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行5 s的設(shè)備休眠，避免用戶在短時(shí)間內(nèi)多次取紙。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于樹莓派的智能公共紙盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)是一個(gè)連接云服務(wù)器并可協(xié)助管理人員管理公共紙盒的Web端管理系統(tǒng)。管理員使用Web端管理系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地通過網(wǎng)頁(yè)查看管理范圍內(nèi)所有智能公共紙盒的剩余紙量，及時(shí)接收缺紙?zhí)崾拘畔?，查看系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的用紙記錄和用紙統(tǒng)計(jì)，對(duì)于個(gè)人信息、人員系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)管理也能夠輕松完成，后期還可以結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有助于合理的資源采購(gòu)。Web端的功能設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 Web端功能設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

基于樹莓派的智能公共紙盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的Web端采用HTML、CSS和PHP編寫，其中HTML和CSS用于編輯界面視圖，主要利用PHP編寫程序與云服務(wù)器進(jìn)行通信。管理人員登錄系統(tǒng)后直接進(jìn)入管理員中心，但同時(shí)還可以進(jìn)入查看設(shè)備界面、設(shè)備用紙記錄界面和用紙統(tǒng)計(jì)界面；從管理員中心界面還可以進(jìn)入增加設(shè)備界面、修改設(shè)備界面、刪除設(shè)備界面和修改個(gè)人信息界面、增加人員界面、刪除人員界面。Web端具體功能流程如圖6所示。

圖6 Web端功能設(shè)計(jì)流程

3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

3.2.1 管理員中心

采用管理者的工號(hào)及密碼進(jìn)行用戶登錄，登錄后即可進(jìn)入管理員中心界面，如圖7所示。在該管理員中心界面，管理人員可以對(duì)個(gè)人信息、工作人員和設(shè)備進(jìn)行管理。當(dāng)點(diǎn)擊修改信息按鈕后將進(jìn)入該登錄人員自我信息修改界面，界面自動(dòng)顯示當(dāng)前的用戶名、密碼和聯(lián)系電話，管理人員可在原信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，也可以刪除后重新錄入。當(dāng)點(diǎn)擊修改設(shè)備按鈕后進(jìn)入修改設(shè)備界面，該界面能夠修改某設(shè)備的地址和卷紙余量，其修改操作以設(shè)備號(hào)為依據(jù)。添加用戶和添加設(shè)備的程序類似，在按下按鈕后會(huì)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能界面，當(dāng)用戶提交信息后，程序?qū)μ峤坏臄?shù)據(jù)進(jìn)行獲取和判斷，數(shù)據(jù)為空或數(shù)據(jù)不符合格式時(shí)返回界面信息提示；當(dāng)添加的設(shè)備號(hào)或工號(hào)已存在時(shí)則提示已存在；若格式正確且為新設(shè)備號(hào)或工號(hào)，則能夠正常添加并提示添加成功。刪除設(shè)備需要輸入正確的設(shè)備號(hào)和對(duì)應(yīng)的設(shè)備地址才能夠進(jìn)行刪除設(shè)備操作；刪除人員也需要輸入正確的工號(hào)和對(duì)應(yīng)的用戶名才能夠進(jìn)行刪除操作。

圖7 管理員中心界面

3.2.2 實(shí)時(shí)狀態(tài)

在實(shí)時(shí)狀態(tài)界面設(shè)置余量不足彈窗和設(shè)備信息查詢功能。當(dāng)切換到該界面時(shí)，網(wǎng)頁(yè)后臺(tái)先查詢?cè)O(shè)備表中余量為“0”的設(shè)備，將設(shè)備地址返回網(wǎng)頁(yè)，并使用彈窗顯示，管理人員通過返回的地址信息及時(shí)補(bǔ)充該地址設(shè)備的卷紙，這樣能夠有效地避免用戶無(wú)紙可取的情況發(fā)生。如果設(shè)備表中沒有缺紙?jiān)O(shè)備時(shí)則直接顯示“通過設(shè)備號(hào)查找設(shè)備”的輸入框，管理人員只要輸入存在設(shè)備表中的設(shè)備號(hào)，便可查看對(duì)應(yīng)的設(shè)備當(dāng)前的設(shè)備號(hào)、設(shè)備地址、換紙次數(shù)和當(dāng)前卷紙余量。

點(diǎn)擊菜單欄中的實(shí)時(shí)狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到實(shí)時(shí)狀態(tài)界面，設(shè)備表中存在余量為“0”的設(shè)備時(shí)，將彈出如圖8所示的提示框，在實(shí)時(shí)狀態(tài)界面的輸入欄中輸入正確的設(shè)備號(hào)進(jìn)行查看時(shí)，可以得到該設(shè)備的當(dāng)前信息，如圖9所示。

圖8 彈窗信息提醒

圖9 設(shè)備信息實(shí)時(shí)狀態(tài)

3.2.3 用紙記錄和用紙統(tǒng)計(jì)

用紙記錄界面主要是用于查看管理范圍內(nèi)各個(gè)設(shè)備的用紙情況。當(dāng)卷紙消耗異常時(shí)能夠通過查看用紙記錄確定異常的時(shí)間段，從而進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)存在的問題，及時(shí)進(jìn)行處理并在日后加以預(yù)防。用紙統(tǒng)計(jì)界面通過條形統(tǒng)計(jì)圖直觀呈現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的累計(jì)換紙次數(shù)，對(duì)于換紙次數(shù)異常的設(shè)備，則可以通過查詢?cè)摷埡幸惶靸?nèi)的換紙次數(shù)進(jìn)行核對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)盜紙現(xiàn)象，還能為之后采購(gòu)卷紙?zhí)峁?shù)量參考。點(diǎn)擊菜單欄中的用紙統(tǒng)計(jì)即可進(jìn)入用紙統(tǒng)計(jì)界面，在用紙統(tǒng)計(jì)界面能夠直接顯示系統(tǒng)中所有設(shè)備的用紙條形統(tǒng)計(jì)圖，當(dāng)輸入設(shè)備號(hào)時(shí)，可查看該設(shè)備在各日期的換紙數(shù)據(jù)。查詢?cè)O(shè)備號(hào)為“2”的設(shè)備用紙統(tǒng)計(jì)界面如圖10所示。

圖10 用紙統(tǒng)計(jì)界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能公共紙盒系統(tǒng)能夠通過控制出紙量，解決隨意多用或盜用的問題，避免出現(xiàn)資源浪費(fèi)現(xiàn)象，還可以遠(yuǎn)程提醒管理人員及時(shí)補(bǔ)充卷紙，解決紙盒缺紙時(shí)用戶長(zhǎng)時(shí)間無(wú)紙可取的問題。該智能公共紙盒實(shí)用性強(qiáng)，適用范圍廣，更能夠滿足當(dāng)前社會(huì)需求。