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        基于NB-IoT的校園智能廢品分類回收箱的設(shè)計(jì)

        2024-01-27 11:58:45苑穎丁永賢
        現(xiàn)代信息科技 2023年24期

        苑穎 丁永賢

        摘? 要:為助力校園廢品分類回收工作全面開展,通過對(duì)寧夏區(qū)內(nèi)高校學(xué)生的垃圾分類意識(shí)和影響因素的調(diào)查分析,針對(duì)校園場(chǎng)景設(shè)計(jì)一款以STM32F103VET6作為系統(tǒng)控制核心,集硬件模塊、NB-IoT通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和管理軟件系統(tǒng)為一體的智能廢品分類回收箱,實(shí)現(xiàn)廢品分類投放、用戶識(shí)別、重量稱重、積分發(fā)放等功能。該回收箱有利于培養(yǎng)和提高師生的環(huán)保意識(shí),增強(qiáng)師生對(duì)于廢品分類回收利用的積極性;有利于推動(dòng)高校生態(tài)文明建設(shè),構(gòu)建“綠色校園”。

        關(guān)鍵詞:NB-IoT;智能廢品分類回收箱;物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

        中圖分類號(hào):TN929.5;TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2096-4706(2023)24-0126-06

        Design of NB-IoT-Based Intelligent Waste Separation and Recycling Bins for Campus

        YUAN Ying, DING Yongxian

        (Yinchuan University of Energy, Yinchuan? 750105, China)

        Abstract: In order to facilitate the comprehensive development of campus waste separation and recycling work, through the investigation and analysis of the awareness and influencing factors of waste separation among students in colleges and universities in Ningxia, an intelligent waste separation and recycling bin is designed for the campus scene with STM32F103VET6 as the system control core, integrating hardware module, NB-IoT communication technology, IoT cloud platform and management software system to realize the functions of waste separation and disposal, user identification, weight weighing and points distribution. The recycling bin is conducive to cultivating and improving the awareness of environmental protection among teachers and students, and enhancing their enthusiasm for waste separation and recycling. It is also conducive to promoting the construction of ecological civilization in colleges and universities and building a“green campus”.

        Keywords: NB-IoT; intelligent waste separation and recycling bin; IoT cloud platform

        0? 引? 言

        隨著藍(lán)天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)的打響,政府對(duì)生活垃圾減量化、無害化和資源化處置愈發(fā)重視,目前住建部等12部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)生活垃圾分類工作的若干意見》,其中明確指出在2035年全國的生活垃圾回收利用率應(yīng)達(dá)到35%以上[1]??苫厥諒U棄物的持續(xù)分類回收是垃圾分類制度建立的關(guān)鍵。

        高校是一個(gè)微縮社會(huì),伴隨著高等教育的逐步普及,學(xué)校規(guī)模的擴(kuò)大、大學(xué)生人數(shù)的增加以及師生生活水平提高,校園生活垃圾數(shù)量也隨之不斷增加。目前高校校園里使用的大多還是傳統(tǒng)的垃圾桶,不能有效地進(jìn)行廢品分類投放,難以養(yǎng)成師生廢品分類回收的意識(shí)。如果采用校園智能廢品分類回收箱妥善處理這些垃圾和廢品,垃圾分類、可回收廢棄物收回的步伐將大大加快。

        1? 調(diào)查分析

        本次研究主要以實(shí)地走訪、問卷調(diào)查的方式在寧夏高校范圍內(nèi),對(duì)垃圾分類、可回收廢物回收問題進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。針對(duì)不同高校不同年級(jí)的人群采用抽樣調(diào)查的方式進(jìn)行。同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡單的數(shù)據(jù)分析。具體如下:

        1)對(duì)寧夏區(qū)內(nèi)8所本科院校435名學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查,從學(xué)生對(duì)自己學(xué)校現(xiàn)有的分類回收滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)目前對(duì)學(xué)?,F(xiàn)有的分類回收滿意度為17.24%,基本滿意度為35.63%,不滿意度高達(dá)47.13%??梢钥闯瞿壳案髟盒5膹U品分類回收工作還有很大的提升空間。

        2)從校園內(nèi)可回收廢品排名數(shù)據(jù)分析可知,快遞紙箱成為校園可回收廢品之首,占比約97.7%,其次是塑料水瓶、廢舊書本、廢舊衣物、易拉罐、金屬制品。

        3)調(diào)查發(fā)現(xiàn)校園可回收廢品的處理方式還處于傳統(tǒng)模式。51.72%的學(xué)生選擇直接扔進(jìn)垃圾桶,直接丟進(jìn)垃圾桶的主要原因是無法尋找處理的途徑;27.59%學(xué)生選擇分類投放;17.24%的學(xué)生選擇送給宿管阿姨;只有3.45%的學(xué)生會(huì)進(jìn)行收集后統(tǒng)一販賣。

        由此可見高校垃圾分類、可回收廢品回收情況不容樂觀。在我們身邊真正自覺能正確地做到垃圾分類的師生較少。主要是大學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中還沒有形成垃圾分類回收的意識(shí),沒有養(yǎng)成垃圾分類回收的習(xí)慣。對(duì)垃圾分類重要性認(rèn)識(shí)不到位,行動(dòng)力弱。其次,高校落實(shí)垃圾分類機(jī)制不完善,校內(nèi)垃圾分類基礎(chǔ)設(shè)施不健全,沒有合理的垃圾分類回收體系[2],分類粗糙、一些可回收物無法有效回收(如快遞紙箱、水瓶、廢舊書本等)。第三,學(xué)校對(duì)學(xué)生垃圾分類、廢品回收宣傳教育力度不夠深入,沒有激勵(lì)及監(jiān)督學(xué)生進(jìn)行垃圾分類和廢品回收。第四,廢品回收方式不合理。半數(shù)學(xué)生認(rèn)為上門回收是專門廢品回收機(jī)構(gòu)的主要操作方式,對(duì)于廢品更傾向于隨手扔,很少一部分學(xué)生愿意自行搬往指定地點(diǎn),導(dǎo)致回收效率低。

        因此,開發(fā)一款基于NB-IoT的校園智能廢品分類回收箱有助于創(chuàng)造更加美好的校園生活學(xué)習(xí)環(huán)境,增強(qiáng)師生對(duì)于廢品分類回收利用的積極性,牢固樹立師生的環(huán)保意識(shí),引導(dǎo)廣大師生踐行綠色生活,以新的生態(tài)理念構(gòu)建“綠色校園”,推進(jìn)創(chuàng)文提質(zhì)升級(jí)。

        2? NB-IoT技術(shù)

        現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用的大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)各異,無法在傳輸距離、信號(hào)覆蓋范圍、能耗和成本上同時(shí)占據(jù)優(yōu)勢(shì)[3]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù),支持廣域網(wǎng)中低功耗設(shè)備的蜂窩數(shù)據(jù)連接[4],以廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì),成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要分支之一[5],解決了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)存在的技術(shù)碎片化、覆蓋不足等問題,極大地提升了物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用能力[6]。本項(xiàng)目采用更適合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸?shù)腘B-IoT通信技術(shù),結(jié)合Ti、STM市場(chǎng)現(xiàn)有芯片,設(shè)計(jì)智能廢品分類回收終端的通用性NB-IoT模組及硬件模塊電路,具有提升利用率的效果。

        3? 回收箱總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        調(diào)查顯示高校中不同場(chǎng)景下塑料瓶和廢紙所占比例都比較大,因此將研究對(duì)象范圍定位為一款放置在校園公共區(qū)域的以回收瓶垃圾和廢紙垃圾為主的回收物裝置。結(jié)合使用環(huán)境,對(duì)回收箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)備主要由箱體、系統(tǒng)電源、傳感器、內(nèi)部線槽、顯示屏、高清攝像頭等部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。用戶打開移動(dòng)端管理系統(tǒng)的微信小程序,打開個(gè)人二維碼,將二維碼對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的掃碼器進(jìn)行掃描啟動(dòng)智能回收箱,通過確認(rèn)用戶身份,裝置會(huì)自動(dòng)開箱接收可回收物的投放。用戶按照要求分類投放后,系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)數(shù)或稱重,上傳到服務(wù)器。根據(jù)后臺(tái)設(shè)定規(guī)則,將投放的重量或計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)化為碳減排積分發(fā)放到對(duì)應(yīng)的用戶賬戶中并實(shí)現(xiàn)線上積分兌換禮品獎(jiǎng)勵(lì),用戶可在小程序、設(shè)備液晶顯示屏中查詢。這樣使校園的廢品分類回收快速交投,提高了可回收廢品回收的利用率,同時(shí)使校園環(huán)境更加整潔。

        回收箱是集硬件模塊、NB-IoT通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和管理軟件系統(tǒng)為一體廢品分類回收箱。回收箱硬件部分采用STM32處理器作為采集節(jié)點(diǎn)的嵌入式處理器,搭載系統(tǒng)所需要的各式傳感器(稱重傳感器、紅外傳感器等)[7]及箱體、系統(tǒng)電源、內(nèi)部線槽、攝像頭、顯示屏等部件進(jìn)行開發(fā)。軟件部分主要是利用微信小程序和后臺(tái)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可視化管理。通信模塊以NB-IoT作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn),通過NB-IoT通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)將軟硬件配套開發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)在NB-IoT智能終端和移動(dòng)端管理系統(tǒng)之間承擔(dān)著承上啟下的作用,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和中轉(zhuǎn),最終實(shí)現(xiàn)廢品分類投放、用戶識(shí)別、重量稱重、積分發(fā)放等功能。軟硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖2所示。

        4? 硬件模塊設(shè)計(jì)

        智能廢品分類回收箱有以下部分構(gòu)成:主控芯片STM32、NB-IoT通信模塊、傳感器檢測(cè)模塊及其他部件,其硬件電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

        4.1? 主控模塊

        從本項(xiàng)目的算力需求、任務(wù)調(diào)度需求、工作環(huán)境等多方面考慮,回收箱的主控芯片選擇基于CortexM3內(nèi)核的STM32F103系列的MCU——STM32F103VET6。

        該主控模塊接收各傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),解析數(shù)據(jù)之后發(fā)送給通信模塊傳輸至服務(wù)器[8]。當(dāng)回收箱不執(zhí)行數(shù)據(jù)感知時(shí)主控會(huì)進(jìn)入低功率狀態(tài),只有在采集和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才喚醒主控工作[9]。STM32配置了多種類型接口,可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的接收,具有較好的可擴(kuò)展性。

        4.2? NB-IoT模塊

        通信模塊采用移遠(yuǎn)BC28NB-IoT模組。BC28芯片是一款高性能、低功耗、安全可靠的NB-IoT模組,由中國移動(dòng)聯(lián)合華為公司開發(fā),適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接。BC28芯片通過PC10、PC11引腳連接MCU,MCU通過UART口與傳感器和外設(shè)連接。智能回收箱內(nèi)的傳感器和MCU將采集到的數(shù)據(jù)通過BC28模塊傳輸?shù)皆贫朔?wù)器,如箱內(nèi)廢品的狀態(tài)、填充率、溫度、濕度等信息,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制。同時(shí),BC28芯片通過射頻天線連接NB-IoT網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)可通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

        BC28模塊作為NB-IoT通信模塊可以為智能垃圾箱提供高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸功能,實(shí)現(xiàn)智能回收箱的自動(dòng)化和智能化。

        4.3? 傳感器檢測(cè)模塊

        智能回收箱集成了不同類型的傳感器,實(shí)現(xiàn)了不同的功能模塊,包括回收箱回收物裝載容量及滿溢狀態(tài)檢測(cè)、塑料瓶投遞數(shù)量檢測(cè)、回收箱箱體內(nèi)溫濕度及可燃?xì)怏w數(shù)據(jù)的檢測(cè)。

        稱重選用的是平行梁稱重傳感器HX711,用于采集回收物裝載容量數(shù)據(jù)。該傳感器是一款高精度、低成本采樣前端模塊,使每次投放都能精準(zhǔn)稱重。自動(dòng)稱重功能起重大于200 g,最大稱重250 kg,顯示精度0.01 kg。稱重傳感器位于回收箱底部,通過PC0、PC1引腳連接MCU,為模擬電壓信號(hào)后經(jīng)過AD模塊放大轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至MCU,實(shí)現(xiàn)稱重?cái)?shù)據(jù)傳輸至NB-IoT模塊。

        滿溢狀態(tài)檢測(cè)采用超聲波HC-SR04傳感器,它固定在回收箱的頂部,通過PA5和PA6引腳連接MCU。MCU向超聲波模塊發(fā)射超聲波并接收反射回來的信號(hào),計(jì)算回收箱內(nèi)部與超聲波模塊之間的距離,從而判斷回收箱內(nèi)的廢品高度。根據(jù)回收箱的大小,設(shè)置合適的距離閾值,當(dāng)回收箱內(nèi)部的廢品堆積高度達(dá)到該閾值時(shí),認(rèn)為回收箱滿溢。當(dāng)檢測(cè)到回收箱滿溢時(shí),自動(dòng)停用并通過MCU向手機(jī)/后臺(tái)發(fā)出警報(bào)或發(fā)送通知,提醒相關(guān)人員及時(shí)清理回收箱。

        TCRT5000紅外計(jì)數(shù)傳感器用于計(jì)算用戶投放的可回收塑料瓶的數(shù)量。它由發(fā)射器和接收器組成,發(fā)射器向接收器發(fā)射紅外線,當(dāng)物體從紅外計(jì)數(shù)器前面經(jīng)過時(shí),會(huì)擋住紅外線,接收器會(huì)接收不到紅外線信號(hào),從而產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。

        MLX90614ESF溫濕度傳感器與MQ-2煙霧傳感器,可自動(dòng)監(jiān)測(cè)并反饋回收箱內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。一旦垃圾箱內(nèi)部溫度或濕度過高,煙霧濃度超過設(shè)定的閾值,MCU會(huì)根據(jù)傳感器反饋的數(shù)據(jù),對(duì)垃圾箱內(nèi)的情況進(jìn)行分析和判斷,并采取相應(yīng)的措施,如發(fā)出警報(bào)通知工作人員及時(shí)清理回收箱,避免因?yàn)閺U品發(fā)生自燃或腐爛等安全事故,實(shí)現(xiàn)智能回收箱的智能化管理,提高廢品分類回收處理的效率和安全性。

        4.4? 其他模塊

        攝像頭模塊一方面用于采集和識(shí)別用戶身份信息的二維碼,一方面進(jìn)行實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)監(jiān)控,避免出現(xiàn)亂投放的現(xiàn)象;智能電磁門鎖實(shí)現(xiàn)回收箱的箱體開關(guān)的自動(dòng)化,同時(shí)兼具防盜功能,關(guān)門后投口門自動(dòng)上鎖;配置的人體感應(yīng)模塊,用于黑暗環(huán)境下,識(shí)別用戶的存在;LCD液晶屏用于顯示用戶信息、投放重量、獎(jiǎng)勵(lì)金額/積分;語音提示模塊向使用者提醒回收箱的使用規(guī)則和注意事項(xiàng),如分類投放、廢品種類、回收箱清理等。用戶只需按照語音提示進(jìn)行操作,即可正確地使用回收箱,避免因投放錯(cuò)誤導(dǎo)致的廢品分類不當(dāng)、廢品溢出等問題,讓投遞更方便;配電箱將220 V電壓轉(zhuǎn)換為24 V的安全電壓,主要是為了保證主控板的安全,也保證了用戶與工作人員的安全。同時(shí)為確保斷電的情況可以正常的工作,內(nèi)置了24 V電源。

        4.5? 硬件系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

        回收箱通電初始化后,檢查服務(wù)器是否發(fā)送指令,有則接受指令并解析、執(zhí)行指令;若無,啟動(dòng)人體紅外檢測(cè),檢測(cè)是否有人靠近。若有,指示燈亮,繼續(xù)檢測(cè)是否掃描二維碼,二維碼正確識(shí)別后打開箱門,投放回收物,傳感器會(huì)對(duì)回收物信息進(jìn)行采集并封裝上傳至服務(wù)器。上傳成功后,關(guān)閉箱門并顯示結(jié)算信息。整個(gè)流程循環(huán)進(jìn)行,具體流程如圖4所示。

        5? 管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

        為了高效解決校園內(nèi)資源浪費(fèi)的問題,客戶端基于微信小程序進(jìn)行開發(fā)[10]。用戶的功能需求實(shí)現(xiàn)通過微信小程序,頁面采用與小程序配套的WXML和WXSS實(shí)現(xiàn),并通過添加JavaScript代碼實(shí)現(xiàn)頁面的動(dòng)態(tài)效果;系統(tǒng)管理員功能需求實(shí)現(xiàn)基于Web端,采用云服務(wù)器、SpringBoot框架與MySQL開發(fā),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化管理。整體功能設(shè)計(jì)如圖5所示。

        管理員Web端通過驗(yàn)證登錄后,可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的管理、商品管理、決策圖表和活動(dòng)公告的設(shè)置。用戶的管理包含對(duì)具體用戶信息的基本信息管理、用戶消息管理、用戶余額變動(dòng)明細(xì)、用戶垃圾投放情況統(tǒng)計(jì)及異常投放情況的統(tǒng)計(jì)和處理;商品管理包含商品分類設(shè)置、商品設(shè)置、商品兌換查詢;決策圖表通過統(tǒng)計(jì)每日用戶數(shù)量增長表、每周用戶數(shù)量增長表、校園用戶數(shù)量統(tǒng)計(jì)表和廢品投放統(tǒng)計(jì)表來查看用戶投放使用情況,為后續(xù)提升用戶的使用率提供數(shù)據(jù)依據(jù)。廢品投放情況表如圖6所示。

        用戶通過小程序界面“我的”查看用戶信息、投放記錄、資金明細(xì)、身份認(rèn)證和消息列表等信息。用戶信息包含用戶個(gè)人頭像、昵稱、手機(jī)號(hào)碼、性別等信息;投放記錄中有年投放量、本月投放量、今日投放量和投放的種類、數(shù)量和時(shí)間;資金明細(xì)中包括投放獎(jiǎng)勵(lì)、系統(tǒng)扣除、提現(xiàn)明細(xì)和用戶的余額信息。用戶可在資金明細(xì)中查看自己對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)積分,并可通過主頁的積分兌換功能以適當(dāng)?shù)姆e分兌換相應(yīng)的商品,或者以積分抵消商品部分價(jià)格進(jìn)行購買。管理員在后臺(tái)對(duì)兌換商品進(jìn)行管理。積分兌換商品可與校園周邊商家聯(lián)合,提高用戶廢品分類回收的積極性;身份認(rèn)證是指進(jìn)行身份實(shí)名認(rèn)證,認(rèn)證之后就可以進(jìn)行投放、資金入戶及積分兌換;消息列表用來接收小程序推送的消息。通過用戶投放記錄和累計(jì)投放成功的次數(shù),生成本校積分排行榜,并實(shí)時(shí)在主頁顯示個(gè)人排名。通過該排行榜,用來激勵(lì)用戶使用的積極性。主頁上除了有排行榜和積分兌換功能以外還包括愛心公益和通告欄兩部分。愛心公益模塊向用戶推送廢品分類回收利用、垃圾分類、保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源等方面的知識(shí)和活動(dòng),潛移默化地向用戶灌輸綠色環(huán)保的知識(shí),培養(yǎng)和提高師生廢品分類回收意識(shí),調(diào)動(dòng)用戶使用廢品分類回收平臺(tái)的積極性;通告欄模塊是小程序自我宣傳的有效手段,主要發(fā)布一些志愿服務(wù)、勤工儉學(xué)活動(dòng)和學(xué)校近期的新聞動(dòng)態(tài),吸納更多的學(xué)生參與到校園廢品分類回收處理的工作中,在現(xiàn)實(shí)生活中體驗(yàn)資源回收。微信小程序首頁如圖7所示。

        6? 結(jié)? 論

        針對(duì)校園場(chǎng)景設(shè)計(jì)、無鍵化掃碼操作,基于NB-IoT通信技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款校園智能廢品分類回收箱,可以實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別、分類回收、實(shí)時(shí)監(jiān)控、積分兌換等功能,推進(jìn)了校園生活廢品分類回收工作的全面開展,引導(dǎo)廣大師生以新的生態(tài)理念,打造“綠色低碳校園”。

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        作者簡介:苑穎(1979—),女,漢族,山西渾源人,

        教授,碩士,研究方向:數(shù)據(jù)分析與挖掘、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用;丁永賢(1979—),男,漢族,寧夏中衛(wèi)人,副教授,碩士,研究方向:物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

        收稿日期:2023-05-09

        基金項(xiàng)目:2022年寧夏回族自治區(qū)教育廳高等學(xué)??茖W(xué)研究項(xiàng)目(NYG2022132);2022年銀川能源學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目(2022-KY-Z-4)

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