基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統(tǒng)設(shè)計

王磊

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統(tǒng)設(shè)計

王磊

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

針對城市中垃圾箱滿溢后導(dǎo)致垃圾大量堆積及二次污染等問題，設(shè)計了一種基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統(tǒng)，用于實(shí)時監(jiān)測垃圾箱滿溢狀態(tài)。該系統(tǒng)利用垃圾對紅外線光束是否遮擋在光電傳感器產(chǎn)生電平變化的原理檢測垃圾滿溢狀態(tài)，并通過MCU驅(qū)動GPRS模塊自動向指定人員發(fā)送垃圾箱是否滿溢的相關(guān)短信，通知相關(guān)人員及時清運(yùn)垃圾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測垃圾滿溢狀態(tài)，報警信息發(fā)送及時，極大地提高了垃圾清運(yùn)工作效率，有效地解決了垃圾堆積造成的二次污染等問題，對智能城市建設(shè)有重要意義。

GPRS單片機(jī)智能垃圾箱垃圾滿溢報警

1　引言

隨著社會的不斷發(fā)展和進(jìn)步以及國內(nèi)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市中日常生活垃圾與日俱增。據(jù)統(tǒng)計，2012年我國城市中垃圾清運(yùn)量達(dá)到1.71億噸，并以每年10%的速度遞增[1]。如何合理有效地安排垃圾的清運(yùn)與處理是改善城市居民生活的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的垃圾回收和轉(zhuǎn)運(yùn)都是依靠相關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)或者使用查詢的方式逐個對垃圾箱進(jìn)行檢查及處理，這樣不僅耗時耗力，而且效率較低[2-3]。針對以上問題，本文設(shè)計通過檢測垃圾箱的物位并在垃圾箱滿溢的時候?qū)崟r向工作人員的手機(jī)發(fā)送一條短信，通知哪些垃圾箱需要清運(yùn)，從而為垃圾清運(yùn)的決策和規(guī)劃提供有力的數(shù)據(jù)支撐，最終使得垃圾清運(yùn)工作能夠科學(xué)高效地運(yùn)行。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)采用STC15F2K16S2單片機(jī)作為控制核心，使用6組 對射式紅外光電傳感器作為檢測垃圾物位的傳感元件，垃圾箱的物位信息最終是通過GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù)）模塊短信的形式發(fā)送給用戶的手機(jī)。為了方便系統(tǒng)狀態(tài)指示和參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)還包含紅外解碼電路以及LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示）部分。由于GPRS模塊的供電要求較為苛刻，因此系統(tǒng)的供電采用DC-DC模塊。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，當(dāng)傳感器的光束被滿溢的垃圾阻擋時，傳感器的信號會立即被單片機(jī)捕獲到。單片機(jī)對傳感器的信號處理后，會驅(qū)動GPRS模塊向預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)發(fā)送一條垃圾滿溢的短信，提醒清運(yùn)人員對該垃圾箱進(jìn)行處理。系統(tǒng)的一切參數(shù)的查詢和設(shè)置都是通過操作紅外遙控器和LCD顯示屏來完成的，該方法較市面的產(chǎn)品具有界面友好、容易操作等優(yōu)點(diǎn)。

圖1　垃圾滿溢報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3　垃圾滿溢狀態(tài)監(jiān)測

本系統(tǒng)使用相互垂直的6組紅外光束檢測垃圾箱內(nèi)的物位狀態(tài)，傳感器分布如圖2所示。傳感器緊貼垃圾箱投放口安裝，如圖2（a）所示，當(dāng)垃圾的高度超過傳感器射線高度時，紅外光束被遮擋傳感器輸出高電平，反之傳感器輸出低電平。為了防止異形垃圾遮擋紅外光束導(dǎo)致垃圾滿溢誤判，本系統(tǒng)采用圖2（b）中的交叉布局，當(dāng)6組傳感器同時被遮擋時，控制器判定為垃圾箱滿溢，這樣有效地提高了垃圾滿溢報警的正確率。

以上垃圾滿溢監(jiān)測方法僅適用于“船型”垃圾箱。實(shí)驗(yàn)證明該方法對“船型”垃圾箱的滿溢狀態(tài)有較高的識別率，具有安裝方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，基本滿足現(xiàn)場需求。

圖2　垃圾滿溢檢測示意圖

4　GPRS短信通信

GPRS是由全球移動通信系統(tǒng)（GSM）發(fā)展而來的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具有通信范圍覆蓋廣、數(shù)據(jù)傳輸速率高、運(yùn)營低成本等優(yōu)點(diǎn)。其中GPRS網(wǎng)絡(luò)的短信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)簡單、用戶易學(xué)易用，因此本系統(tǒng)采用短信指示垃圾滿溢狀態(tài)及時通知清運(yùn)人員對垃圾箱進(jìn)行處理[4]。

本系統(tǒng)的GPRS模塊使用有方科技（Neoway）的M590實(shí)現(xiàn)，模塊實(shí)物如圖3所示。

圖3　有方科技M590 GPRS模塊實(shí)物圖

該模塊具有性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，滿足本系統(tǒng)的通信需求。M590模塊與MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）或者PC（Personal Computer，個人計算機(jī)）之間鏈接和通信通過AT指令控制，通過AT指令可實(shí)現(xiàn)對模塊的參數(shù)設(shè)置、短信的自動發(fā)送等功能。本系統(tǒng)用到的AT指令如表1所示。

由于GPRS模塊與PC或單片機(jī)通過UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器）進(jìn)行通訊，因此在使用前首先要確保通信雙方的波特率是相同的，否則無法完成通信，若不一致可使用“AT+IPR=X”命令設(shè)置GPRS模塊的波特率為X。為了減少回顯帶來的通信量，可使用ATE0關(guān)閉GPRS模塊的回顯功能。本系統(tǒng)使用中文短信向用戶發(fā)送垃圾滿溢報警信息，因此要使用“AT+CMGF=0”命令將模塊設(shè)置成PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）模式，同時使用“AT+CMGS=n”命令指定目標(biāo)手機(jī)的號碼、短信中心號碼以及短信內(nèi)容的Unicode碼等參數(shù)，最后必須向模塊發(fā)送0x1A控制字符啟動短信的發(fā)送[5-6]。這樣報警信息就會自動發(fā)送到清運(yùn)人員的手機(jī)上，并指示當(dāng)前垃圾箱的狀態(tài)。

表1　常用AT指令表

5　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的微控制器采用宏晶科技的STC15F2K16S2單片機(jī)，此款單片機(jī)采用增強(qiáng)型51內(nèi)核，外設(shè)豐富且成本低廉。垃圾物位感知使用對射式紅外傳感器，其有效感知距離可達(dá)5m，輸出信號為繼電器通斷信號方便電路設(shè)計。GPRS通信模塊使用有方科技的E590模塊，通過UART與微控制器鏈接。液晶顯示模塊使用Nokia 5110模塊，該模塊具有84×48個點(diǎn)陣，滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。為了保證系統(tǒng)的性能，電源部分采用LM2956 DC-DC電源模塊。

系統(tǒng)硬件使用2層板的布線方式，元件大多采用SMD（Surface Mounted Devices，表面貼裝器件）貼片封裝以減少PCB板的體積。由于本系統(tǒng)涉及射頻部分電路，在PCB布局布線時將射頻部分和數(shù)字電路部分進(jìn)行了隔離處理，以增強(qiáng)系統(tǒng)的電磁兼容性。系統(tǒng)控制器主板PCB圖如圖4所示。

圖4　垃圾滿溢報警系統(tǒng)控制器主板PCB圖

圖5　垃圾滿溢報警系統(tǒng)程序流程圖

6　系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于本系統(tǒng)的實(shí)時性要求較高，而程序任務(wù)量較少，因此考慮使用中斷結(jié)合大循環(huán)的程序架構(gòu)。這樣不僅可以提高開發(fā)效率，又能保證系統(tǒng)的健壯性。

系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示，單片機(jī)上電后首先對LCD、Timer、外部中斷、UART以及GPRS模塊進(jìn)行了初始化，使得系統(tǒng)的外設(shè)都工作在特定模式。在對外設(shè)初始化后，程序進(jìn)入while(1)循環(huán)并始終執(zhí)行該循環(huán)體內(nèi)的用戶邏輯代碼。外部中斷與定時器中斷結(jié)合，用于測量紅外遙控信號的脈寬，實(shí)現(xiàn)對紅外遙控信號的軟件解碼。UART對應(yīng)的TXD和RXD與GPRS對應(yīng)的引腳鏈接，通過AT指令控制GPRS模塊發(fā)送垃圾箱滿溢狀態(tài)。

下面介紹本系統(tǒng)的紅外遙控的軟件解碼和GPRS模塊短信發(fā)送的設(shè)計思路及實(shí)現(xiàn)過程。

（1）紅外遙控解碼

由于紅外遙控具有低成本、低功耗、高可靠等特點(diǎn)，已經(jīng)在生活和工業(yè)的各個方面得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計采用的遙控使用uPD6121G作為編碼芯片，調(diào)制方式采用脈寬調(diào)制，使用正脈寬為0.565ms、周期為1.125ms的方波作為邏輯0，而正脈寬為0.565ms、周期為2.25ms的方波作為邏輯1，調(diào)制波形如圖6所示。表示鍵值的二進(jìn)制串由32個位組成，通過38kHz載波進(jìn)行二次調(diào)制以提高發(fā)射效率。

圖6　紅外遙控脈寬調(diào)制波形

每個鍵值對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)幀都由引導(dǎo)碼、用戶識別碼、用戶識別反碼、鍵值碼、鍵值反碼組成。通過使用外部中斷檢測正脈寬的邊沿并結(jié)合Timer定時器，可以測量每個二進(jìn)制碼對應(yīng)的脈寬和周期，并結(jié)合通信幀格式提取鍵值。

（2）GPRS模塊短信發(fā)送

由于本系統(tǒng)使用中文短信指示垃圾滿溢狀態(tài)，因此GPRS模塊應(yīng)通過“AT+CMGF=0”命令設(shè)置為PDU模式，短信的目標(biāo)手機(jī)號碼、短信中心號碼、短信長度以及短信內(nèi)容等信息通過“AT+CMGS”命令進(jìn)行設(shè)置。此外，在PDU模式下中文短信內(nèi)容必須轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的Unicode碼，否則不能被手機(jī)正確接收并解析。例如：在使用“AT+CMGS”設(shè)置完短信長度后，向GPRS模塊發(fā)送“0891683108501905F011000B818161 809017F60008A712519C59274E1C8DEF0032003053F 76EE16EA2”，表示向18160809716的號碼發(fā)送短信內(nèi)容為“農(nóng)大東路20號滿溢”的短信。當(dāng)短信內(nèi)容填充到GPRS模塊后，必須通過串口發(fā)送一個十六進(jìn)制的控制字符“0x1A”來啟動短息的發(fā)送，當(dāng)GPRS模塊向MCU回復(fù)“+CMGS:xx”后，表明短信已發(fā)送成功。

7　結(jié)論

本文介紹了一種基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統(tǒng)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對垃圾箱滿溢狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，解決了垃圾回收不及時造成的城市環(huán)境二次污染等問題。通過在烏魯木齊市新市區(qū)40套及沙依巴克區(qū)25套滿溢報警系統(tǒng)的應(yīng)用效果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，極大地方便了垃圾回收人員對轄區(qū)內(nèi)垃圾箱滿溢狀態(tài)的掌握，這會給城市垃圾清運(yùn)工作帶來便捷，加快文明環(huán)保的城市建設(shè)進(jìn)程。

[1] 北京市統(tǒng)計局,國家統(tǒng)計局北京調(diào)查總隊(duì). 北京市統(tǒng)計年鑒2012[M]. 北京: 中國統(tǒng)計出版社, 2012.

[2] 李鐵鋒. 城市垃圾的危害與處置[J]. 石河子科技, 2010(3): 5-6.

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王磊：工學(xué)碩士畢業(yè)于西安科技大學(xué)，現(xiàn)任新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院助教，從事教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂萍拔锫?lián)網(wǎng)。

Design of GPRS-Based Spill-over Warning System of Intelligent Garbage Can

WANG Lei
(Institute of Computer & Information Engineering of Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

In view of the problems of garbage accumulation and secondary pollution after garbage can overfl owing, a GPRS-based spill-over warning system of intelligent garbage can was designed to monitor the state of garbage can in real time. It uses IR-photoelectric sensor as the garbage detection element and uses GPRS module to send massage and indicate whether the can is spill over or not through MCU, so as to notify the relevant personnel to remove garbage timely. Experiment and application results show that this system can detect the state of overflowing accurately and send massage in time, greatly improve the working effi ciency of garbage removal and solve the problem of secondary pollution. The system has signifi cance to construction of smart city.

GPRSMCUintelligent garbage cangarbage spill-over alarm

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.16.016

TP29

A

1006-1010(2015)16-0082-04

2015-07-27

責(zé)任編輯：袁婷yuanting@mbcom.cn

引用格式：王磊. 基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統(tǒng)設(shè)計[J]. 移動通信, 2015,39(16): 82-85.