劉建福，吳小梅

延安市煙草公司寶塔分公司，陜西延安，716000

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了輝煌成就，精神文明建設(shè)的力度也在不斷加大，各城市都在爭創(chuàng)文明城市。市容市貌是城市衛(wèi)生和城市文明的重要標(biāo)志，因此各地都在公共場合安裝了滅煙柱，以達(dá)到“煙頭不落地、城市更美麗”的效果。煙蒂被投入滅煙柱后進(jìn)入收集桶，因?yàn)槿狈ρ鯕舛?，避免了因?yàn)槔^續(xù)在空氣中燃燒產(chǎn)生二手煙，危害他人健康。環(huán)衛(wèi)工人定時(shí)清理收集倉中的煙蒂，可以解決隨意丟棄煙蒂的問題。

美國著名設(shè)計(jì)師及藝術(shù)理論家埃羅·沙里寧說過：“讓我看看你的城市，我就能說出這個(gè)城市居民在文化上追求的是什么[1]?！币酝臏鐭熤惶峁鐭熀褪占療煹俚墓δ?，隨著社會(huì)文明的進(jìn)步，控?zé)煹姆绞揭苍谧兓?，從以往告知煙民“吸煙有害健康”，轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)并規(guī)范煙民的行為，降低了二手煙對環(huán)境的污染程度，避免了亂扔煙蒂給環(huán)境和公共安全帶來的危害。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和人工智能算法日趨強(qiáng)大[2]，為設(shè)計(jì)新型的滅煙柱提供了技術(shù)儲(chǔ)備。本次設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能滅煙柱，不僅有傳統(tǒng)滅煙柱的滅煙和收集煙蒂的功能，還通過綜合運(yùn)用智能交互技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，達(dá)到引導(dǎo)煙民規(guī)范自己的滅煙和點(diǎn)煙行為、減小環(huán)境污染、消除消防隱患、降低環(huán)衛(wèi)工人勞動(dòng)強(qiáng)度和便于廢物回收的效果。

1 總體設(shè)計(jì)

智能滅煙柱可以布置在走廊、大廳等室內(nèi)場合，也可以布置在廣場、路口等人流密集的室外。為了盡量降低能耗，可以使用光伏板充電、換電和無線充電并行的方法保證電控系統(tǒng)的供能。光伏板布置在正立面、側(cè)立面和頂面，電池倉位于立柱的底部，頂部是電控倉，收集倉位于中部。整個(gè)滅煙柱的底座是一個(gè)AGV小車。隨著太陽照射角的變化，AGV帶動(dòng)滅煙柱旋轉(zhuǎn)，讓光伏板始終正對陽光，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。電控倉的四個(gè)立面安裝有4個(gè)攝像頭，通過對獲取的圖像進(jìn)行識(shí)別，判斷周圍的人數(shù)，觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)入或離開休眠模式，最大限度節(jié)約電能。還可以通過遠(yuǎn)程傳輸視頻的方式，以遠(yuǎn)程遙控的方式行走到集中換電區(qū)域或無線充電區(qū)域，完成換電或充電。

煙民把煙蒂投入滅煙柱時(shí)，滅煙裝置的翻板克服彈簧的反力被煙蒂推動(dòng)，收集倉蓋板隨之打開。松開煙蒂后，煙蒂落入收集倉，收集蓋板復(fù)位，煙蒂因缺乏氧氣而熄滅，二手煙也因?yàn)槭占瘋}密閉無法離開收集倉。作為對煙民正確投放煙蒂的獎(jiǎng)勵(lì)，播放語音進(jìn)行鼓勵(lì)。當(dāng)需要點(diǎn)煙時(shí)，引導(dǎo)煙民到滅煙柱的點(diǎn)煙模塊進(jìn)行點(diǎn)煙，并在觸摸屏上播放新聞、健康小常識(shí)或公益廣告，從而避免在禁止吸煙的區(qū)域點(diǎn)煙和吸煙。作為對煙民沒有在禁煙區(qū)域點(diǎn)煙的鼓勵(lì)，不僅免費(fèi)使用點(diǎn)煙功能，還可以通過手機(jī)掃描觸摸屏上的二維碼，通過識(shí)別身份進(jìn)行積分，累積后可以領(lǐng)取保健類的小禮品。

本次設(shè)計(jì)的智能網(wǎng)聯(lián)滅煙柱，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，在最頂層的應(yīng)用層設(shè)置有總監(jiān)控室，總監(jiān)控室通過互聯(lián)網(wǎng)連接到云服務(wù)器，系統(tǒng)維護(hù)人員可以通過電子看板監(jiān)控所有滅煙柱的實(shí)時(shí)狀態(tài)；在底層的感知層，安排了換電/充電區(qū)域的值班人員，完成換電/充電、清理和日常維護(hù)工作，也在滅煙柱的布置區(qū)域?qū)恿谁h(huán)衛(wèi)人員，完成清理工作。

滅煙柱作為物聯(lián)網(wǎng)的終端，除了和周圍的人通過觸摸屏和語音進(jìn)行交互以外，還可以把實(shí)時(shí)監(jiān)控的各種參數(shù)傳送到云服務(wù)器，系統(tǒng)維護(hù)人員可以通過手機(jī)端或電腦端查看布置在不同地理位置的滅煙柱采集的各種參數(shù)。當(dāng)煙蒂收集數(shù)量達(dá)到清理閾值時(shí)，滅煙柱向云服務(wù)器發(fā)送申請清理警報(bào)，云服務(wù)器向距離滅煙柱最近的環(huán)衛(wèi)工人發(fā)送清理工單，如果環(huán)衛(wèi)工人附近有多個(gè)需要清理的滅煙柱，則在工單中添加最優(yōu)化的清理路徑；如果滅煙柱需要清理，且臨近換電/充電時(shí)間點(diǎn)，則給云服務(wù)器發(fā)送換電/充電申請，由總監(jiān)控室的值班人員遠(yuǎn)程操控AGV，帶動(dòng)滅煙柱到換電/充電區(qū)域，由值班人員完成清理工作以后，進(jìn)行換電或充電。環(huán)衛(wèi)工人或值班人員打開收集倉的倉門，清理煙蒂并關(guān)上倉門時(shí)，煙蒂數(shù)量清零。

通過對煙蒂數(shù)量和電池電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和云服務(wù)器的人工智能調(diào)度程序，最大程度降低清理工作量，同時(shí)通過自診斷算法實(shí)現(xiàn)滅煙柱的健康管理，實(shí)現(xiàn)“上醫(yī)治未病”的效果，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障前通過對參數(shù)的診斷發(fā)現(xiàn)隱患并及時(shí)維護(hù)，從而確保系統(tǒng)的高可靠性。

2 模塊設(shè)計(jì)

滅煙柱的終端包含8個(gè)功能單元：滅煙次數(shù)與清理次數(shù)的計(jì)數(shù)單元、點(diǎn)煙電路的驅(qū)動(dòng)單元、觸摸屏和語音播報(bào)的人機(jī)交互單元、人臉識(shí)別單元、BMS單元、AGV單元、北斗定位單元和GSM/GPRS數(shù)傳單元。

電控系統(tǒng)模塊關(guān)系如圖2所示。

系統(tǒng)中各功能單元中的模塊使用的協(xié)議差別較大，觸摸屏、語音模塊、人臉識(shí)別模塊和數(shù)傳模塊都使用各自的自定義協(xié)議，AGV單元和定位模塊使用Modbus協(xié)議。為了適應(yīng)多種協(xié)議，選用STM32F103C8T6單片機(jī)為主機(jī)控制器[3]。從機(jī)則使用STC15W4K58S4單片機(jī)，主控制器的4個(gè)串口上搭建4條485總線，可以同時(shí)適應(yīng)4種不同的協(xié)議。串口1運(yùn)行Modbus協(xié)議，掛載3個(gè)從機(jī)和定位單元。為了便于后續(xù)功能擴(kuò)展，把計(jì)數(shù)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊掛在1號從機(jī)上。在360°范圍布置了4臺(tái)攝像機(jī)，對應(yīng)的4個(gè)人臉識(shí)別模塊通過2號從機(jī)統(tǒng)計(jì)滅煙柱周圍的總?cè)藬?shù)。3號從機(jī)接收主機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制命令，給驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM信號或制動(dòng)信號，控制輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或停止。定位單元直接通過Modbus總線向主控制器發(fā)送定位信息。串口2通過自定義協(xié)議向語音模塊發(fā)送需要語音播報(bào)的字符串。串口3通過自定義協(xié)議和觸摸屏交互。串口4通過自定義協(xié)議和數(shù)傳單元交互數(shù)據(jù)。

2.1 計(jì)數(shù)單元的設(shè)計(jì)

通過記錄滅煙次數(shù)和清理次數(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測收集倉中煙蒂的數(shù)量，當(dāng)煙蒂數(shù)量超過閾值后，發(fā)出信息讓環(huán)衛(wèi)人員清理，從而降低環(huán)衛(wèi)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

選用4線制NPN型光電開關(guān)作為傳感器，白色線在遮光時(shí)輸出電源電壓，黑色線在入光時(shí)輸出電源電壓。滅煙板采用翻板結(jié)構(gòu)，煙蒂推動(dòng)滅煙板時(shí)觸發(fā)光電開關(guān)，煙蒂落入收集桶后，滅煙板由彈簧帶動(dòng)復(fù)位，光電開關(guān)隨之復(fù)位。用白色線作為滅煙計(jì)數(shù)的信號線，在滅煙板被頂開又復(fù)位時(shí)產(chǎn)生下降沿。如果清理倉的倉門被打開時(shí)，門上的擋片不遮擋光電開關(guān)的光路，光電開關(guān)復(fù)位，清理結(jié)束關(guān)閉倉門時(shí)，光電開關(guān)動(dòng)作。用黑色線作為清理計(jì)數(shù)的信號線，在倉門打開又關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生下降沿。下降沿信號發(fā)送到控制器的中斷引腳后，引發(fā)中斷并修改計(jì)數(shù)值。

2.2 驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)

為了規(guī)范煙民在公共場合的吸煙行為，增加了點(diǎn)煙模塊。通過手機(jī)可以查到附近滅煙柱的地理位置，可以到滅煙柱免費(fèi)點(diǎn)煙，從而引導(dǎo)煙民離開禁止抽煙的區(qū)域。

使用繼電器驅(qū)動(dòng)兩路高壓放電電路，在兩對點(diǎn)火針上同時(shí)拉弧，通過預(yù)先調(diào)整點(diǎn)火針的位置，兩路電弧能夠互相吸引并靠近，形成X型電弧。使用限位機(jī)構(gòu)讓送入的煙頭位于X型電弧的交叉點(diǎn)上，能夠迅速產(chǎn)生足以點(diǎn)煙的熱量。

2.3 人機(jī)交互單元的設(shè)計(jì)

選用迪文的7寸觸摸屏，顯示滅煙次數(shù)、清理次數(shù)、點(diǎn)煙次數(shù)、環(huán)境溫度、剩余電量等實(shí)時(shí)參數(shù)。

同時(shí)本研究結(jié)果顯示，增強(qiáng)MRI聯(lián)合CT掃描對良性和惡性骨腫瘤診斷準(zhǔn)確性分別為95.24%和96.00%，明顯高于CT掃描和增強(qiáng)MRI(P<0.05)，而增強(qiáng)MRI對良性和惡性骨腫瘤診斷準(zhǔn)確性略高于CT掃描，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。增強(qiáng)MRI聯(lián)合CT的敏感度、特異度和陰性預(yù)測值明顯高于CT掃描和增強(qiáng)MRI(P<0.05)；而陽性預(yù)測值無明顯差異(P>0.05)。表明增強(qiáng)MRI聯(lián)合CT掃描可顯著提高良惡性骨腫瘤診斷準(zhǔn)確性，敏感性和特異性。涂詠濤等[12]發(fā)現(xiàn)雙螺旋CT聯(lián)合MRI診斷能夠有效提高患者膝部骨腫瘤臨床檢出率，與本研究結(jié)果一致。

控制器通過UART接口和觸摸屏交互，使用115200的波特率。每次傳送10位數(shù)據(jù)：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位（低位在前高位在后）和1個(gè)停止位。數(shù)據(jù)幀格式如表1。

在數(shù)據(jù)幀中，幀頭固定為：0x5A 0x A5；數(shù)據(jù)長度是指令、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼的字節(jié)數(shù)之和；指令用0x82向觸摸屏寫數(shù)據(jù)，用0x83從觸摸屏中讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)最大長度是249個(gè)字節(jié)；校驗(yàn)碼使用CRC16校驗(yàn)，也可以選擇不使用校驗(yàn)。

表1 迪文觸摸屏數(shù)據(jù)幀格式

觸摸屏的變量空間一共1 2 8個(gè)字節(jié)，其中用戶變量區(qū)共6 0個(gè)字節(jié)，地址范圍是0x1000～0xFFFF。在設(shè)計(jì)觸摸屏界面時(shí)，指定每個(gè)控件對應(yīng)的地址。

系統(tǒng)上電后，控制器用詢問版本號的方法發(fā)送握手指令：5a a5 04 83 00 0F 01，其中0x000F在系統(tǒng)變量接口區(qū)，存放觸摸屏系統(tǒng)程序的版本號，如果觸摸屏返回：5a a5 06 83 00 0F 01 41 10，說明觸摸屏和控制器之間通信正常。用DGUS Tool軟件設(shè)置點(diǎn)火按鈕的變量地址為0x1000，當(dāng)用戶按下點(diǎn)火按鈕時(shí)，觸摸屏向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)：5A A5 06 83 10 00 01 00 0A；設(shè)置滅煙數(shù)量文本框的變量地址為0x1050，控制器向觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)：5A A5 05 82 10 50 00 02，則觸摸屏的滅煙數(shù)量文本框中顯示2。

如果用戶使用滅煙柱的滅煙功能，在滅煙板復(fù)位時(shí)，使用語音模塊播放“煙頭不落地、城市更美麗”的語音，作為沒有隨地丟棄煙蒂的鼓勵(lì)。在室外使用時(shí)，當(dāng)識(shí)別到周圍人比較多的時(shí)候，則播放旋律輕快的歌曲或播放公益語音廣告。

控制器通過串行口發(fā)送文字、字母或數(shù)字實(shí)現(xiàn)語音播放，通過發(fā)送音效、音量和語速的設(shè)置命令改變播放效果。串行通信默認(rèn)的傳輸格式是：9600，8，N，1。CN-TTS語音合成模塊接收中文的GBK碼或者英文字母/數(shù)字的ASCII碼，并播放相應(yīng)的語音。在上電初始化完成、開始播放語音和播放結(jié)束時(shí)，語音模塊向控制器發(fā)送返回信息。

2.4 人臉識(shí)別單元的設(shè)計(jì)

當(dāng)滅煙柱被布置在室外時(shí)，會(huì)遇到連續(xù)陰雨天太陽照度不足的情況，當(dāng)周圍人數(shù)較少時(shí)，系統(tǒng)需要進(jìn)入低功耗模式。所以判斷周圍的人數(shù)是必備的功能。當(dāng)有人靠近滅煙柱時(shí)，人體感應(yīng)模塊發(fā)出觸發(fā)信號，控制器退出低功耗模式，并通過攝像頭拍攝的影像，使用人臉識(shí)別算法判斷周圍的精確人數(shù)[4]。

表2 GNRMC 解析

人體感應(yīng)模塊是基于紅外熱釋電技術(shù)設(shè)計(jì)的，被動(dòng)接收人體發(fā)射的10UM的紅外線，經(jīng)菲涅爾透鏡增強(qiáng)后傳導(dǎo)到熱釋電元件，熱釋電元件因溫度變化電荷失衡，向外釋放電荷，調(diào)理電路處理后能檢測10米內(nèi)是否有人靠近。因?yàn)闊後岆娫囟让舾校杂脙?nèi)置的溫敏電阻補(bǔ)償環(huán)境溫度對測量的影響。

人臉識(shí)別模塊由攝像頭和OpenMV Cam H7 Plus組成。人臉識(shí)別本質(zhì)是特征識(shí)別，在OpenMV4中已經(jīng)內(nèi)置了人臉檢測的模型和算法，使用MicroPython編程[5]，使用image模塊下的find_features（）特征尋找函數(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別應(yīng)用。該函數(shù)搜索和Haar Cascade匹配的所有區(qū)域的圖像，并返回一個(gè)關(guān)于這些特征的邊界框矩形元組（x，y，w，h）的列表。若未發(fā)現(xiàn)任何特征，則返回一個(gè)空白列表?；贖aar特征的cascade分類器（classifiers）是Paul Viola和Michael Jone在2001年論文“Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of Simple Features”中提出的一種有效的物品檢測（object detect）方法。它是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過許多正負(fù)樣例中訓(xùn)練得到cascade方程，然后將其應(yīng)用于其他圖片。算法需要許多正樣例（包含人臉的圖片）和負(fù)樣例（不包含人臉的圖片）來訓(xùn)練分類器，從這些圖片中獲取特征（extract features）。人臉識(shí)別模塊把識(shí)別的人數(shù)通過串口發(fā)送給控制器。

2.5 定位單元的設(shè)計(jì)

定位功能選用HS6601定位模塊，能進(jìn)行GPS定位和北斗定位的雙模定位，將定位信息從RS485 接口以Modbus 協(xié)議發(fā)送給控制器，默認(rèn)115200的波特率。定位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在保持寄存器中，地址是40005～40039?？刂破靼l(fā)送讀取定位數(shù)據(jù)命令：01 03 00 05 00 23 14 12，定位模塊返回：01 03 46 70字節(jié)數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼。70個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)符合NMEA0183協(xié)議，具體含義見表2。

控制器解析返回的數(shù)據(jù)，截取經(jīng)緯度信息并保存在環(huán)境變量區(qū)。

2.6 BMS單元的設(shè)計(jì)

滅煙柱的四個(gè)立面上安裝有光敏電阻，通過和標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓，可以輸出和光照強(qiáng)度對應(yīng)的模擬信號。光伏板輸出電壓和電池組電壓經(jīng)過取樣電阻分壓，輸出和實(shí)時(shí)電壓對應(yīng)的模擬信號。STC15W4K32S4單片機(jī)集成8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到300kHz。通過對4路光強(qiáng)信號的采集和分析，結(jié)合定位單元中的地磁偏角，確定滅煙柱當(dāng)前的地磁偏角，再結(jié)合定位單元的經(jīng)緯度和時(shí)間信息，對比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出滅煙主應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度，由1號從機(jī)發(fā)送給主控制器，主控制器再發(fā)送給3號從機(jī)，由AGV單元驅(qū)動(dòng)滅煙柱旋轉(zhuǎn)。當(dāng)光伏板輸出電壓高于電池組電壓時(shí)，供電模式繼電器吸合，光伏板給電池組充電，進(jìn)入光伏充電模式；當(dāng)光伏板電壓低于電池組電壓時(shí)，供電模式繼電器復(fù)位，市電充電接口和電池組的電路接通，進(jìn)入市電充電模式。在市電充電模式中，充電區(qū)值班人員可以通過充電接口接通市電，給電池組充電。

2.7 AGV單元的設(shè)計(jì)

3號從機(jī)接收主控制器發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制命令以后，發(fā)出控制速度的脈沖信號和控制啟/停、方向的電平信號，ZLAC706低壓伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)脈沖信號和電平信號驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)，使用電子差速方式，帶動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)。STCC15W4K32S4單片機(jī)集成兩路PCA模塊，可以同時(shí)輸出兩路PWM信號。PWM信號輸出到驅(qū)動(dòng)器的PUL-和PUL+端，用PWM的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。高低電平信號輸出到驅(qū)動(dòng)器的DIR+和DIR-端，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)AGV單元不工作的時(shí)候，使用高低電平信號控制驅(qū)動(dòng)器的ERC+和ERC-端，切斷電機(jī)電源。

2.8 數(shù)傳單元的設(shè)計(jì)

數(shù)傳單元選用MZH001模塊完成基于GSM/GPRS的數(shù)據(jù)傳輸。該模塊以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，以EC20 GPRS模塊為通信渠道，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

7模的EC20模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，具備全網(wǎng)通功能。模塊上電后，電源指示燈先點(diǎn)亮，延時(shí)過后進(jìn)入尋網(wǎng)狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)指示燈以每秒1次的速度閃爍，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)指示燈變?yōu)橐悦?秒1次的速度閃爍時(shí)，表明尋網(wǎng)成功，模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)。模塊通過485接口和控制器進(jìn)行交互，接收到控制器發(fā)送的環(huán)境變量后，把數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。

3 結(jié)語

本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滅煙柱電控系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了滅煙柱的智能化和網(wǎng)聯(lián)化。通過采集周圍的信息，在無人的時(shí)候低功耗運(yùn)行，在有人的時(shí)候主動(dòng)引導(dǎo)煙民規(guī)范滅煙。延安煙草局在延安市使用該系統(tǒng)近一年，運(yùn)行效果良好，取得了較好的社會(huì)效益。