高校分類垃圾桶的監(jiān)測系統(tǒng)設計

黃明，黃銘銘，譚卓仁，朱均賢，朱峻欒，林舜宜，張建民

（1.五邑大學 智能制造學部，廣東 江門 529020；2.五邑大學 經(jīng)濟管理學院，廣東 江門 529020）

高校校園人口密度高，垃圾產(chǎn)量較大，如何及時處理及分類垃圾成為校園衛(wèi)生亟待解決的問題.隨著智慧校園在高校的推廣與建設，智能垃圾桶監(jiān)測系統(tǒng)將成為管理高校校園內(nèi)垃圾的有效途徑之一，對高校衛(wèi)生管理具有現(xiàn)實意義.

本文提出了一種應用于校園的智能垃圾桶檢測系統(tǒng)，所設計的垃圾桶主要用于收集可回收垃圾，如塑料制品及廢紙等. 采用距離、壓力等傳感器作為垃圾桶內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器，并利用窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）將數(shù)據(jù)傳輸至服務器，通過云端對垃圾桶進行實時監(jiān)測和控制[1-2]. 本方案還開發(fā)了基于Android 的手機應用程序，引入用戶投遞垃圾積分激勵機制，提高用戶分類垃圾的積極性. 此外，本文設計的分類垃圾桶還具有顯示屏及語音提示功能、垃圾自動封裝功能等，從而提升用戶的操作體驗及環(huán)衛(wèi)工人的回收效率，以實現(xiàn)更加便捷高效的垃圾桶的管理和監(jiān)測.

1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分，其中硬件主要包括NB-IoT 的控制硬件及分類垃圾桶的監(jiān)測控制硬件，軟件部分主要包括服務器端及用戶手機APP 端，服務器端能控制監(jiān)測各個垃圾桶，手機APP 能夠查看用戶投遞的時間、積分等信息. 系統(tǒng)總體設計框圖如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要分為NB-IoT 的控制和垃圾桶的監(jiān)測控制兩部分，主要模塊包括超聲波傳感器、壓力傳感器、射頻感應模塊、舵機、步進電機、語音合成模塊、LCD 液晶顯示模塊、M5311 通信模塊等. 主控采用基于CortexM3 內(nèi)核的嵌入式控制芯片STM32F103VET6 實現(xiàn)與各模塊之間的連接，同時配備了1. 5 寸的液晶顯示屏. 垃圾桶由可充電鋰電池與太陽能板供電. 系統(tǒng)硬件設計框圖如圖2 所示.

圖2 系統(tǒng)硬件設計框圖

2.1 NB-IoT 的控制硬件設計

系統(tǒng)使用NB-IoT 技術(shù)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能. 本系統(tǒng)采用M5311 作為通信模塊，M5311 是基于MTK 芯片平臺開發(fā)的一款價格便宜且性能高、功耗低的NB-IoT 無線通信模塊，整個模塊能在2.1 ～ 3.6 V的低電壓工作，供電由鋰電池及太陽能面板提供，具有較強的續(xù)航能力. 單片機通過TTL串口與模塊進行通信，并通過AT 指令集做簡單配置及發(fā)送請求，利用NB 網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議傳輸?shù)皆贫说腅MQ 平臺上，實時對垃圾桶進行監(jiān)測[3].

2.2 垃圾桶的監(jiān)測控制硬件設計

垃圾桶的監(jiān)測功能主要包括重量監(jiān)測、滿溢監(jiān)測、投遞用戶身份識別、垃圾自動封裝、桶蓋自動開合和語音提示等. 系統(tǒng)通過MFRC-522 射頻感應模塊及掃描桶身二維碼實現(xiàn)身份識別，同時運用XFS5152CE 訊飛語音合成模塊實現(xiàn)語音提示功能，進一步提升用戶的交互體驗. 當用戶身份識別正確后，利用舵機控制垃圾桶開蓋. 系統(tǒng)使用了壓力傳感器和超聲波傳感器對桶內(nèi)的重量及滿溢的情況進行數(shù)據(jù)收集，同時通過NB 網(wǎng)絡將用戶投遞及垃圾桶裝載情況發(fā)送給用戶和工作人員.

分類垃圾桶運用L298N 驅(qū)動電機及發(fā)熱裝置實現(xiàn)自動封裝垃圾袋[4].自動封裝采用熱封裝的形式，當電機驅(qū)動模塊接收到單片機的脈沖信號后，電機控制滑塊移動，加熱棒對垃圾袋進行熱封裝. 單片機通過NB-IoT 模組發(fā)送回收和位置信息到服務器端[5-6]. 垃圾桶外部結(jié)構(gòu)及三維視圖如圖3 所示.

圖3 垃圾桶外部結(jié)構(gòu)及三維視圖

3 軟件設計

軟件設計主要實現(xiàn)垃圾桶與服務器、APP 的同步數(shù)據(jù)更新及稱重積分等功能. 在STM32 主控中引入了μCOS 操作系統(tǒng)，μCOS 是一種基于優(yōu)先級的嵌入式多任務實時操作系統(tǒng)，具有很好的可移植性，可實現(xiàn)搶占式多任務的協(xié)調(diào)執(zhí)行. 垃圾桶上電啟動后進行初始化操作，同時創(chuàng)建功能任務、分配任務優(yōu)先級、設置堆棧以及啟動操作系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)任務調(diào)度，執(zhí)行相關(guān)的任務[7]. 流程圖如圖4 所示.

為提高用戶投遞可回收垃圾的積極性，系統(tǒng)引入用戶投遞垃圾積分激勵機制. 用戶投放入桶的垃圾重量將按比例轉(zhuǎn)為用戶積分，積分累積在手機APP 上. 用戶投遞垃圾入桶后，系統(tǒng)通過滑動均值濾波法得到稱重數(shù)據(jù)，然后上傳云端服務器，并換算出對應重量的積分數(shù)，記錄到用戶數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)稱重積分功能，如圖5 所示.

圖4 主程序流程圖

3.1 重要任務的算法設計

對于滿溢監(jiān)測任務，為了適當降低電路設計的復雜度，考慮采用滑動均值濾波法來進行濾波，既提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，又提升了對垃圾滿載測量的精確度. 首先通過多次測量，不斷剔除舊測量值并加入新測量值取平均，從而保證數(shù)據(jù)的平滑，消除數(shù)據(jù)抖動[8]. 垃圾袋熱封裝的過程包含加速、勻速以及減速的電機運動，因此系統(tǒng)采用S 曲線加減速控制方法，通過設定的高級定時器在向上計數(shù)達到設置的次數(shù)時，對CPU 發(fā)出中斷信號，轉(zhuǎn)入中斷程序，并令計數(shù)值清零，通過實時計算曲線得到電機運行所需的脈沖頻率，將頻率計算得出定時器的自動重裝載值并以數(shù)組的方式保存，利用該數(shù)組表來完成步進電機的加減速任務[9].

3.2 服務器及手機應用程序設計

云端服務器使用阿里云1 核2G 服務器并搭建使用EMQX 消息服務器. 首先通過AT 指令給NB-IoT 模塊配置服務器信息. 然后在EMQ 平臺上設置設備號ID 及設備密鑰，同時添加訂閱及發(fā)布，最后通過消息服務器的轉(zhuǎn)發(fā)功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示，從而實現(xiàn)實時更新垃圾桶數(shù)據(jù)的功能.

我們采用Android studio 軟件開發(fā)了一款基于Android 的手機應用程序，該APP 主要實現(xiàn)用戶身份識別，投遞積分查詢及相關(guān)信息查詢等功能，APP 界面如圖6 所示.

圖5 稱重積分使用原理圖

圖6 APP 界面圖

4 系統(tǒng)測試

我們將分類垃圾桶布置在校園內(nèi)光照條件較好的校道上，成功實現(xiàn)了垃圾桶與服務器、手機端之間的連接. 經(jīng)測試，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收和控制效果良好，能夠正常實現(xiàn)滿溢檢測、預警及開合蓋等功能.

消息服務器共運行105 天，數(shù)據(jù)收發(fā)成功率為100%，運行狀態(tài)良好，且服務器CPU 占用率保持在15%以下，連接穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大幅波動，證明該系統(tǒng)能夠在較長時間下平穩(wěn)可靠運行，但是目前由于實驗用戶數(shù)限制，還沒有進行大并發(fā)數(shù)據(jù)測試，下一步我們將提升數(shù)據(jù)量及分類垃圾桶數(shù)量，進一步測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

5 結(jié)語

本文設計高校分類垃圾桶的監(jiān)測系統(tǒng)，利用NB-IoT 將高校的垃圾分類與校園監(jiān)控中心建立聯(lián)系，后臺工作人員能通過客戶端及時獲取每個垃圾桶的滿溢情況和用戶投遞信息并控制垃圾桶開合，有效解決了高校的分類垃圾監(jiān)測和管理難的問題，同時加入的身份識別、稱重、自動封裝等功能，初步實現(xiàn)了分類垃圾桶的智能化，能夠較好地監(jiān)測和管理高校的分類垃圾桶，推廣垃圾分類并促進智慧校園的發(fā)展. 但目前還無法識別投遞的垃圾，下一步，團隊將繼續(xù)增加監(jiān)測傳感器，使監(jiān)測功能更加完備，同時將進一步完善垃圾識別和用戶識別功能，并將擴大電池容量，提高分類垃圾桶的續(xù)航能力.