基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的垃圾溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李金倫,梁紅波,羅明璋 (長江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 荊州434023)

謝小東 (中國石油長慶油田分公司物資供應(yīng)處，陜西 咸陽 745000)

隨著人類社會(huì)的發(fā)展和生產(chǎn)力的進(jìn)步，人們的物質(zhì)生活得到了極大的豐富，但隨之而來的社會(huì)問題也日益凸顯，垃圾處理問題便是其中之一。以生活小區(qū)為例，其產(chǎn)生的垃圾量大，種類也較為繁雜，有可回收的金屬、塑料、玻璃、紙張，有不可回收的廚余垃圾以及有毒有害廢物(如一次性電池，節(jié)能燈管)，甚至還有建筑垃圾[1,2]。為了增強(qiáng)居民垃圾分類的意識(shí)、提高可回收垃圾的利用效率、減少垃圾處理帶來的環(huán)境污染以及方便統(tǒng)一管理，必須要在源頭上解決垃圾分類難的問題[3]。為此，筆者結(jié)合二維碼以及窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有掃碼開門、語音播報(bào)、垃圾自動(dòng)稱重、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳和安全防護(hù)裝置等功能的智能垃圾溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以追蹤記錄每家每戶的垃圾投放行為及相關(guān)數(shù)據(jù)信息，而且可以通過大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)垃圾清運(yùn)分類化、精準(zhǔn)化，提高工作效率和節(jié)約人力物力，同時(shí)通過積分兌獎(jiǎng)等措施對(duì)投放可回收垃圾重量較多的用戶給予獎(jiǎng)勵(lì)，以此來提高居民垃圾分類的意識(shí)[4]。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包含若干個(gè)智能垃圾箱、控制終端、通信模塊、云端服務(wù)器以及用戶終端設(shè)備。云端服務(wù)器為居民使用的垃圾袋進(jìn)行編碼[5～7]，生成并制作4種不同顏色的垃圾分類二維碼和垃圾袋，分別對(duì)應(yīng)可回收垃圾(綠色)、廚余垃圾(藍(lán)色)、有害垃圾(紅色)和其他垃圾(灰色)。每一個(gè)垃圾袋都貼有唯一二維碼，該二維碼與用戶身份信息相對(duì)應(yīng)[8]。居民在進(jìn)行垃圾投放時(shí)，只需識(shí)別垃圾袋上的分類二維碼即可自動(dòng)打開對(duì)應(yīng)的垃圾箱，做到精確投放。系統(tǒng)可通過垃圾袋上的二維碼信息做到快速溯源，準(zhǔn)確追蹤到垃圾投放者。

垃圾箱內(nèi)部嵌有稱重傳感器、溫度傳感器以及測(cè)距傳感器[9～11]，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)的相關(guān)狀態(tài)并在狀態(tài)異常時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制；箱內(nèi)還安裝有減速電機(jī)及液壓桿，用于控制垃圾箱門的自動(dòng)開啟及關(guān)閉。

控制終端是整個(gè)垃圾分類系統(tǒng)的核心，主要作用是獲取用戶的二維碼信息，語音播報(bào)，驅(qū)動(dòng)箱門的開關(guān)，采集并處理傳感器數(shù)據(jù)，控制通信模塊與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[12～14]。通信模塊的主要功能是將控制終端處理后的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器并接收云服務(wù)器的下行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能垃圾箱與互聯(lián)網(wǎng)的連接[15]。用戶可以通過手機(jī)、電腦、平板等終端設(shè)備登錄系統(tǒng)，實(shí)時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件功能框圖如圖2所示，以MCU為控制終端核心，外接二維碼掃描器、語音模塊、通信模塊、傳感器模塊、自動(dòng)報(bào)警模塊及執(zhí)行機(jī)構(gòu)(減速電機(jī)、液壓桿和電磁鎖)。云端為阿里云服務(wù)器，用于與通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。無線通信模式采用面向連接型的TCP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

該系統(tǒng)主要分為3層：感知層、控制層和傳輸層。感知層主要通過二維碼掃描器、傳感器模塊采集相關(guān)數(shù)據(jù)；控制層通過控制終端處理感知層數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)語音模塊和相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；傳輸層利用通信模塊將數(shù)據(jù)上傳并接收云端的下行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制層與云平臺(tái)的互聯(lián)。

2.1 感知層實(shí)現(xiàn)

感知層中的設(shè)備主要為二維碼掃描器、稱重傳感器、溫度傳感器和測(cè)距傳感器。

二維碼掃描器的作用是獲取垃圾袋上的二維碼信息。二維碼由系統(tǒng)服務(wù)器統(tǒng)一生成，與用戶身份相綁定。

稱重傳感器采用專用的24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711，利用電阻應(yīng)變效應(yīng)將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。用戶每一次投放垃圾后，稱重傳感器都會(huì)計(jì)算出垃圾的凈重，用于后期的積分兌換依據(jù)。

溫度傳感器的作用是感知并獲取智能垃圾箱內(nèi)的溫度信息，是垃圾分類系統(tǒng)的安全檢測(cè)模塊之一。當(dāng)箱內(nèi)溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，向管理人員發(fā)出安全警告，用于及時(shí)發(fā)現(xiàn)垃圾箱內(nèi)諸如煙頭等引發(fā)的火災(zāi)。

測(cè)距傳感器是為了監(jiān)測(cè)垃圾箱剩余容量大小，使用超聲波測(cè)量垃圾距離頂部的距離，當(dāng)距離小于一定值時(shí)認(rèn)為垃圾箱已滿，對(duì)應(yīng)垃圾箱的警示燈亮起，并通過傳輸模塊將狀態(tài)信息發(fā)送至云端。

2.2 控制層實(shí)現(xiàn)

控制層中的MCU采用STM32F103系列芯片，該芯片使用3.3V電源供電，Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)到72MHz，具有豐富的外設(shè)資源。芯片具有功能強(qiáng)大、運(yùn)行效率高、集成度高、價(jià)格低廉且相對(duì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)中，控制層主要通過MCU對(duì)二維碼掃描器和傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與處理、驅(qū)動(dòng)語音播報(bào)模塊、控制箱門的開關(guān)以及對(duì)傳輸模塊進(jìn)行初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)交互。

2.3 傳輸層實(shí)現(xiàn)

傳輸層使用的通信模塊是基于NB-IoT技術(shù)的BC26模塊。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)，具有覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。NB-IoT使用License頻段，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，故易于部署，NB-IoT主要由用戶設(shè)備終端、NB-IoT 基站、核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和行業(yè)應(yīng)用設(shè)備組成。用戶設(shè)備終端通過安裝相應(yīng) SIM 卡的方式接入 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)與運(yùn)營商所部署的NB-IoT 基站之間信息收發(fā)，并進(jìn)一步經(jīng)過核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基站與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的連接，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)完成各類業(yè)務(wù)的運(yùn)算與處理，所得到的結(jié)果可反饋到用戶設(shè)備終端，也可使用行業(yè)應(yīng)用設(shè)備讀取。

系統(tǒng)采用的BC26是一款高性能、低功耗的NB-IoT系列模塊，基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺(tái)研發(fā)，支持全球頻段。通過NB-IoT無線電通信協(xié)議(3GPP Rel.13 和 3GPP Rel.14)，BC26模塊可與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的基礎(chǔ)設(shè)備建立 2.4GHz 的通信網(wǎng)絡(luò)。BC26模塊通過串口與控制層的MCU連接，由一系列的AT指令進(jìn)行初始化和數(shù)據(jù)交互。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于垃圾溯源領(lǐng)域，用戶在系統(tǒng)服務(wù)器后臺(tái)注冊(cè)成功后，可進(jìn)行垃圾分類的在線指導(dǎo)、垃圾袋的申領(lǐng)。用戶將廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾以及可回收垃圾裝入垃圾袋中并貼上不同顏色的垃圾分類二維碼標(biāo)簽，然后使用該二維碼接觸掃碼器，掃碼器讀取二維碼中的信息并通過串口發(fā)送給MCU，MCU收到后通過BC26模組以無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)上傳至云端。云端服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，如果二維碼中的用戶信息在該系統(tǒng)的Web端注冊(cè)過，服務(wù)器下發(fā)應(yīng)答包給MCU，MCU收到后通過語音播報(bào)提醒用戶按鍵選擇不同類型的垃圾箱，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開箱門，使用戶可以投放垃圾，一段時(shí)間后箱門自動(dòng)關(guān)閉。垃圾箱底部的稱重傳感器稱量垃圾重量后通過BC26模組將用戶選擇的垃圾箱類型編號(hào)和垃圾重量上傳至云端保存并顯示。系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

1)結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，通過將垃圾袋上的二維碼與用戶信息綁定，能夠做到有效溯源，精準(zhǔn)定位。

2)語音播報(bào)及自動(dòng)開關(guān)門裝置使垃圾投放更加自動(dòng)化與便捷，方便各個(gè)年齡段的用戶使用。

3)在垃圾箱內(nèi)嵌入溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)垃圾箱內(nèi)的溫度信息，防止意外產(chǎn)生。

4)利用稱重傳感器記錄每一次投放的垃圾重量并實(shí)現(xiàn)滿載報(bào)警功能，這樣既方便系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，又可以提高垃圾車的運(yùn)輸效率。

5)在Web端，工作人員可以對(duì)垃圾回收數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)與分析，精確追蹤到每一袋垃圾是哪一位用戶投放并獲取投放的垃圾重量。系統(tǒng)通過可回收垃圾的重量計(jì)算出相應(yīng)積分返還給用戶，用戶可通過積分兌獎(jiǎng)，以此提高用戶進(jìn)行垃圾分類的積極性。對(duì)于未能正確投放垃圾的用戶，系統(tǒng)可通過短信等方式給予一定的提醒。同時(shí)，對(duì)于投放正確度高的用戶，系統(tǒng)將進(jìn)行積分排名并進(jìn)行額外獎(jiǎng)勵(lì)。逐步建立完善的環(huán)保積分體系，引導(dǎo)居民建立垃圾分類習(xí)慣。

5 結(jié)語

垃圾智能化處理是垃圾管理未來的發(fā)展趨勢(shì)，該系統(tǒng)利用二維碼和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行垃圾溯源，通過有償?shù)姆绞焦膭?lì)市民正確分類投放垃圾，將可回收垃圾回收再利用，實(shí)現(xiàn)了多站點(diǎn)集中管理、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析一體的智能垃圾溯源管理系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合國家綠色可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)。