姚干+孫兆沛+何頂新

摘 要：為實(shí)現(xiàn)智慧社區(qū)的垃圾循環(huán)利用，培養(yǎng)居民的環(huán)保意識(shí)，文中提出了一個(gè)基于STM32微控制器的垃圾回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有稱重、掃描二維碼、滿溢報(bào)警以及顯示等功能。采用4G模塊USR-LTE-7S4通過(guò)HTTP協(xié)議與微信公眾平臺(tái)通信，系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)時(shí)間生成隨機(jī)字符串，并采用SHA-1安全哈希算法生成簽名，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。試?yàn)表明，該系統(tǒng)成本低，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，值得應(yīng)用和推廣。

關(guān)鍵詞：垃圾回收系統(tǒng)；STM32；USR-LTE-7S4；微信公眾平臺(tái)；HTTP；SHA-1

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）06-00-04

0 引 言

傳統(tǒng)社區(qū)大多采用垃圾桶進(jìn)行垃圾回收，存在著垃圾分類難、再生資源循環(huán)利用率低、垃圾滿時(shí)得不到及時(shí)清理、人工維護(hù)成本高等諸多弊端[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為推動(dòng)垃圾分類、改善社區(qū)環(huán)境，國(guó)內(nèi)很多社區(qū)已開(kāi)始陸續(xù)嘗試?yán)腔刍厥战鉀Q方案[2]。但這些垃圾回收系統(tǒng)均存在成本高昂、功能單一以及使用場(chǎng)景受限等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，本文基于4G模塊以及微信公眾平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”）設(shè)計(jì)了一套垃圾回收系統(tǒng)。用戶先使用系統(tǒng)的二維碼掃描槍對(duì)垃圾袋上的二維碼進(jìn)行掃描，然后通過(guò)按鍵選擇垃圾種類，系統(tǒng)對(duì)垃圾稱重后，通過(guò)4G模塊將信息上傳到平臺(tái)，平臺(tái)返回用戶姓名和積分等信息并用液晶模塊顯示。系統(tǒng)檢測(cè)到垃圾滿時(shí)，自動(dòng)向平臺(tái)報(bào)警，通知工作人員回收。該系統(tǒng)成本極低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，滿足了大多數(shù)社區(qū)的使用場(chǎng)景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以STM32F103C4T6為主控芯片（以下簡(jiǎn)稱“MCU”）。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，各外圍模塊的功能如下所示：

（1）稱重模塊：測(cè)量回收的垃圾重量，通過(guò)4G模塊將信息上傳到平臺(tái)。

（2）滿溢檢測(cè)模塊：檢測(cè)垃圾是否已經(jīng)堆滿，若堆滿則通過(guò)蜂鳴器提醒用戶，并通過(guò)4G模塊向平臺(tái)報(bào)警。

（3）二維碼掃描模塊：掃描垃圾袋上的二維碼，獲取用戶身份信息，并通過(guò)4G模塊上傳到平臺(tái)。

（4）顯示模塊：顯示操作提示信息、用戶相關(guān)信息以及系統(tǒng)異常信息。

（5）4G模塊：連接系統(tǒng)和平臺(tái)，將垃圾重量、種類和二維碼上傳到平臺(tái)，然后接收平臺(tái)返回的用戶信息及異常信息。

（6）電源模塊：為系統(tǒng)供電，使系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行。

（7）其他模塊：蜂鳴器，產(chǎn)生提示音和報(bào)警音；按鍵，用來(lái)選擇垃圾種類。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 稱重模塊

稱重模塊由壓力傳感器及A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，原理圖如圖2所示。

壓力傳感器采用JHBL懸臂式傳感器，由上下各兩片應(yīng)變片組成橋式電路，輸出電壓與受到壓力線性相關(guān)。橋式電路能有效消除共模干擾，提高靈敏度[3]。

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用24位精度的HX711，片內(nèi)集成穩(wěn)壓電源和時(shí)鐘振蕩器，可靠性高；采用差分輸入，具有高達(dá)128增益的低噪聲放大器，采用串行通信協(xié)議，其輸出速率高達(dá)80Hz[4]。

2.2 滿溢檢測(cè)模塊

采用一對(duì)紅外發(fā)射與接收管檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，具有成本低，安裝方便，抗干擾好等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)射管發(fā)射紅外線，遇到垃圾被反射回來(lái)，接收管接收到時(shí)電阻發(fā)生變化，輸出電壓經(jīng)LM393比較器后輸出低電平，采用外部中斷方式檢測(cè)?？赏ㄟ^(guò)電位器調(diào)節(jié)檢測(cè)范圍（3～80 cm），檢測(cè)角度為30°。

2.3 二維碼掃描模塊

雖然攝像頭成本較低，硬件電路也越來(lái)越集成化，但二維碼解碼涉及圖像處理，不僅消耗大量?jī)?nèi)存資源，且算法復(fù)雜，運(yùn)算量大。本系統(tǒng)選用的MCU的RAM為6 KB，CPU的主頻為72 MHz[5]，無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的解碼工作。因此選用ST2200二維碼掃描模塊，其內(nèi)部采用激光頭對(duì)二維碼進(jìn)行掃描并識(shí)別，識(shí)別結(jié)果以ASCII碼通過(guò)串口發(fā)送至MCU。采用5 V電源供電，無(wú)需驅(qū)動(dòng)程序，配置簡(jiǎn)單，可進(jìn)行連續(xù)的、多種二維碼的掃描。不工作時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低功耗。

2.4 其他模塊

采用LCD12864作為顯示模塊，分辨率為128×64，內(nèi)置16點(diǎn)陣的漢字字庫(kù)。采用5 V供電，將PSB引腳接地，通過(guò)串行模式連接MCU。

按鍵作為輸入，連接MCU的PA4和PA5，按下輸出低電平觸發(fā)MCU外部中斷。通過(guò)MCU的PA0控制作為輸出的蜂鳴器，高電平有效。

2.5 4G模塊

為適應(yīng)多種使用環(huán)境，采用4G模塊通信。USR-LTE-7S4（以下簡(jiǎn)稱“4G模塊”）是一款基于嵌入式Linux系統(tǒng)研發(fā)的串口轉(zhuǎn)4G透明傳輸模塊，將MCU輸入的串口數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，接收返回?cái)?shù)據(jù)解析為串口數(shù)據(jù)輸出給MCU。集成SIM卡功能，支持聯(lián)通、移動(dòng)、電信4G及聯(lián)通3G和2G網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)AT指令配置工作參數(shù)，支持自定義注冊(cè)包、心跳包功能，具有4路Socket連接，支持FTP更新和自更新協(xié)議[6]。具有兩種工作模式：網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ綄⒋跀?shù)據(jù)封裝為T(mén)CP或UDP數(shù)據(jù)，支持長(zhǎng)連接和短連接；HTTPD模式則將串口數(shù)據(jù)組包為HTTP數(shù)據(jù)包發(fā)送。

考慮平臺(tái)業(yè)務(wù)的可擴(kuò)展性和通信的安全性，選擇HTTPD模式；HTTP數(shù)據(jù)包相較于TCP/UDP數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度更大，故采用TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)，其下傳輸速率能達(dá)到下行150 Mb/s，上行速度50 Mb/s，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

4G模塊采用5 V電源供電，串口工作電壓為3.3 V，可直接與MCU連接。外接SMA接口的全頻段吸盤(pán)天線，增益為8 dB。模塊采用LED顯示工作狀態(tài)，指示燈引腳LINKA/LINKB、WORK、NET分別為網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示輸出。

模塊的連接示意圖如圖3所示。

2.6 電源模塊

本系統(tǒng)選用的所有外圍模塊均采用5 V電源供電，各模塊的工作電流見(jiàn)表1所列。

本系統(tǒng)采用12 V鋰電池作為電源。穩(wěn)壓電路采用TI的LM2576開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，具有3 A的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，完全滿足系統(tǒng)運(yùn)行所需電流；電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率都很小，內(nèi)置過(guò)熱保護(hù)電路和過(guò)流保護(hù)電路，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；相較于線性穩(wěn)壓源，LM2576效率更高，能提供更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間[7]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 微信公眾平臺(tái)

平臺(tái)一方面處理垃圾桶發(fā)送的HTTP請(qǐng)求，并返回?cái)?shù)據(jù)給垃圾桶，另一方面向用戶提供垃圾回收的相關(guān)服務(wù)，包括二維碼領(lǐng)取、回收消息提醒、積分管理和意見(jiàn)反饋等。用戶需要關(guān)注公眾號(hào)，綁定手機(jī)并完善相關(guān)信息。根據(jù)用戶角色的不同，系統(tǒng)分配了不同的權(quán)限，普通用戶只能接收回收消息提醒，而管理員則可查看垃圾回收的詳細(xì)信息，處理垃圾桶滿溢報(bào)警等。平臺(tái)接受垃圾桶發(fā)送的HTTP請(qǐng)求字段見(jiàn)表2所列。

平臺(tái)返回給垃圾桶的數(shù)據(jù)格式如下，其中<>內(nèi)的內(nèi)容為必填，[]中的內(nèi)容為可選，以逗號(hào)作為分隔符，即

<返回碼>，<返回信息>，[用戶姓名]，[返還金額]

主要有以下5種返回?cái)?shù)據(jù)：

（1）0，成功，張三，0.5元：表示投放成功，用戶名為張三，返還金額為0.5元；

（2）0，成功：滿溢報(bào)警成功；

（3）-1，簽名失?。汉灻徽_；

（4）-2，簽名重復(fù)：隨機(jī)字符串與之前的重復(fù)；

（5）-3，用戶不存在：無(wú)該用戶信息。

3.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

軟件整體流程圖如圖4所示。

3.2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化包括液晶、蜂鳴器、紅外對(duì)管、稱重模塊、串口、外部中斷和定時(shí)器的初始化。初始化完成后，用戶按下垃圾投放按鈕，手動(dòng)選擇垃圾種類，隨后進(jìn)行二維碼掃描、稱重，最后將二維碼信息、垃圾種類和垃圾重量通過(guò)HTTP發(fā)送到平臺(tái)，平臺(tái)返回處理結(jié)果，并通過(guò)液晶顯示。另一方面，當(dāng)垃圾桶滿時(shí)，紅外對(duì)管輸出低電平，觸發(fā)外部中斷，此時(shí)蜂鳴器響，并將滿溢報(bào)警信息發(fā)送至平臺(tái)。

3.2.2 二維碼掃描

ST2200自動(dòng)掃描二維碼，掃描結(jié)果為字符串形式，以回車符（0x0D）結(jié)尾，通過(guò)串口發(fā)送到MCU。采用USART1中斷接收，當(dāng)檢測(cè)到回車符且100 ms內(nèi)未接收到其他字符時(shí)則發(fā)送結(jié)束，并存儲(chǔ)二維碼信息。

3.2.3 稱重

HX711通過(guò)串行接口與MCU連接，讀取重量時(shí)，先將時(shí)鐘引腳拉低，使能AD，然后查詢數(shù)據(jù)引腳，當(dāng)其為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。隨后控制時(shí)鐘引腳發(fā)送一個(gè)脈沖并讀取數(shù)據(jù)引腳，完成1 b的讀取，連續(xù)讀取24次后得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換結(jié)果最后通過(guò)線性變換得到真實(shí)重量。稱重時(shí)，連續(xù)讀取重量，當(dāng)相鄰幾次平均變化小于5 g時(shí)，完成稱重。

3.2.4 HTTP請(qǐng)求

完成一次HTTP請(qǐng)求的過(guò)程如圖5所示。

由于SHA1算法要求原始數(shù)據(jù)具有防沖突性，即每次發(fā)送的隨機(jī)字符串不重復(fù)。通常產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)采用rand函數(shù)，首先調(diào)用srand函數(shù)初始化隨機(jī)數(shù)種子，當(dāng)隨機(jī)數(shù)種子相同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致rand函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)為固定序列，因而產(chǎn)生的是偽隨機(jī)數(shù)[8]，無(wú)法滿足要求。為產(chǎn)生不重復(fù)的隨機(jī)字符串，采用以下方法：

（1）向平臺(tái)發(fā)送請(qǐng)求，獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，系統(tǒng)返回時(shí)間字符串如20161220132748，取后10個(gè)字符為1220132748，記為St；

（2）采用rand函數(shù)連續(xù)產(chǎn)生6個(gè)隨機(jī)數(shù)，查找隨機(jī)數(shù)對(duì)應(yīng)的ASCII字符，得到6個(gè)字符，將St與之結(jié)合得到隨機(jī)字符串。由于隨機(jī)字符串包含了當(dāng)前時(shí)間，即使rand函數(shù)具有相同的隨機(jī)數(shù)種子，也能得到不重復(fù)的隨機(jī)字符串。

3.2.5 簽名參數(shù)

簽名參數(shù)包含ticket和隨機(jī)字符串。ticket為4G模塊與平臺(tái)通信的臨時(shí)票據(jù)，為避免頻繁刷新，簡(jiǎn)化流程，采用用戶自定義的固定ticket，長(zhǎng)度為86個(gè)字符。將ticket和隨機(jī)字符串（nonceStr）采用字典序排序，最后加上請(qǐng)求的URL，中間用“&”連接。

3.2.6 SHA-1

為保證通信的安全性，采用SHA-1加密算法對(duì)上述字符串加密，得到20個(gè)字節(jié)的簽名（signature）。SHA-1是一種散列算法，能將任意長(zhǎng)度的信息映射為固定長(zhǎng)度的唯一值，散列值和原始信息一一對(duì)應(yīng)。其加密性強(qiáng)，不可逆，無(wú)法通過(guò)散列結(jié)果推出原始信息[9]。

用M表示原始信息，其長(zhǎng)度為n b，哈希值分別為H0、H1…H5，每個(gè)值為32 b。ROTLk表示左移k位。SHA-1算法流程如下：

SHA-1預(yù)處理

（1）補(bǔ)充消息：將M轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，然后添加1個(gè)二進(jìn)制“1”和k個(gè)二進(jìn)制“0”，使得n+1+k≡448mod512，最后添加64 b的消息長(zhǎng)度信息；

（2）消息分塊：將消息分為N個(gè)512 b的數(shù)據(jù)塊，記為M（1）、M（2）…M（N），每個(gè)數(shù)據(jù)塊可分為16個(gè)32 b的小數(shù)據(jù)塊，記為M0（i）、M1（i）...M15（i）；

（3）哈希值初始化：參照SHA-1標(biāo)準(zhǔn)，初始化H0、H1…H5的值，記為H0（0）、H1（0）…H5（0）；

4 仿真和實(shí)驗(yàn)

首先采用Http Requester代替4G模塊向平臺(tái)發(fā)送POST請(qǐng)求，以驗(yàn)證在各種情況下平臺(tái)返回的數(shù)據(jù)是否正確，如圖6所示。測(cè)試投放塑料瓶，平臺(tái)返回?cái)?shù)據(jù)，其中包含用戶姓名、投放垃圾類型以及返還金額。

最后進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，分別測(cè)試滿溢報(bào)警以及投放紙質(zhì)垃圾，液晶顯示如圖7（a）所示，平臺(tái)推送消息如圖7（b）所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

為推動(dòng)智慧社區(qū)的垃圾分類，基于STM32設(shè)計(jì)了一套垃圾回收系統(tǒng)，采用4G模塊通信，使得該系統(tǒng)可適應(yīng)不同的使用環(huán)境。采用微信公眾平臺(tái)提供服務(wù)，向用戶反饋垃圾回收信息。相對(duì)于現(xiàn)有的垃圾回收系統(tǒng)成本低，適用場(chǎng)景廣，具有友好的人機(jī)接口和報(bào)警機(jī)制，值得應(yīng)用和推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧俊，徐琬瑩，周傳斌.北京市社區(qū)生活垃圾分類收集實(shí)效調(diào)查及其長(zhǎng)效管理機(jī)制研究[J].環(huán)境科學(xué)，2013， 34（1）：395-400.

[2]佚名.北京：“垃圾智慧分類”進(jìn)社區(qū)[J].城鄉(xiāng)建設(shè)， 2016（1）：38.

[3]王來(lái)志，王小平.基于電阻應(yīng)變片式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014，4（2）：58-60.

[4]海芯科技.HX711電子秤專用模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片[R]. 2011.

[5] ST Microelectronics Corporation.STM32x4/STM32x6 Datasheet[Z].2010.

[6]濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司.USR-LTE-7S4 V1.0.5[Z].2016.

[7] Wang M. High Reliable MCU Power Supply Design Based on LM2576[Z].International Electronic Elements， 2004.

[8] Mccullough B D.Random Number Generation and Monte Carlo Methods[M].Random Number Generation and Monte Carlo Methods. Springer，2004：431-432.

[9] U.S. Department of Commerce. Secure Hash Standard - SHS： Federal Information Processing Standards Publication 180-4[M].CreateSpace Independent Publishing Platform， 2012.