基于NB-IoT的智能垃圾桶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)公共垃圾桶數(shù)量眾多，環(huán)衛(wèi)人員有限且不能及時(shí)了解各垃圾桶使用情況，導(dǎo)致垃圾桶內(nèi)垃圾溢出無人打掃的情況時(shí)有發(fā)生和垃圾桶內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)不能及時(shí)滅火的問題，文中設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的智能垃圾桶系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103作為主控單元，由溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊、測距模塊組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過NB-IoT模塊傳輸數(shù)據(jù)至阿里云平臺(tái)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測垃圾桶狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測垃圾桶狀態(tài)，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能垃圾桶；NB-IoT技術(shù)；云平臺(tái)；實(shí)時(shí)監(jiān)測；傳感器；STM32

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-0-03

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高與城市化進(jìn)程的加快，日常生活中產(chǎn)生的垃圾也在不斷增加，但垃圾處理方面存在許多問題，如環(huán)衛(wèi)工人數(shù)量有限，往往每日只清理兩次垃圾桶，時(shí)常存在垃圾桶溢出不能及時(shí)清理的情況。不及時(shí)處理垃圾又會(huì)造成環(huán)境污染，導(dǎo)致疾病傳播等[1-4]。此外，由于煙頭等可燃物未燃殆盡被扔進(jìn)垃圾桶導(dǎo)致垃圾桶著火的事故也時(shí)有發(fā)生[5]。為維護(hù)城市環(huán)境和提高居民生活幸福指數(shù)，現(xiàn)基于NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）設(shè)計(jì)了一款智能垃圾桶。通過阿里云平臺(tái)監(jiān)測垃圾桶狀態(tài)，及時(shí)向工作人員反饋溢滿信息，大幅提高了環(huán)衛(wèi)作業(yè)的工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)構(gòu)成主要包括數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、桶蓋控制、垃圾桶狀態(tài)4部分。數(shù)據(jù)采集：通過溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊和超聲波測距模塊采集垃圾桶內(nèi)的溫度、煙霧濃度和距離[6]。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控：通過NB-IoT將采集的數(shù)據(jù)上傳至阿里云，實(shí)時(shí)監(jiān)控。桶蓋控制：通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及紅外傳感器模塊實(shí)現(xiàn)桶蓋控制，當(dāng)有人在垃圾桶前時(shí)，桶蓋自動(dòng)打開，人離開后關(guān)閉。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

垃圾桶主控采用STM32F103C8T6芯片，其具有豐富的外設(shè)資源，在本系統(tǒng)中，串口、定時(shí)器、ADC采集、I/O口等都被充分利用。芯片架構(gòu)簡單，使用方便，功耗低，成本低，滿足系統(tǒng)需求。

2.2 溫度檢測模塊

本系統(tǒng)對(duì)垃圾桶溫度的檢測使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其具有體積小、功耗低、電路簡單、抗外界干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。它獨(dú)特的單總線工作方式僅需一根口線即可與單片機(jī)進(jìn)行雙向通信，占用單片機(jī)端口少的同時(shí)適用于多種環(huán)境下的溫度測量。DS18B20溫度測量范圍為-55～+125 ℃，其通信端口與單片機(jī)的PB9口相連，外置一個(gè)4.7 kΩ的上拉電阻能夠保證單片機(jī)讀取溫度時(shí)的穩(wěn)定性。溫度檢測模塊電路原理如圖2所示。

2.3 煙霧檢測模塊

系統(tǒng)采用MQ-2煙霧傳感器檢測可燃?xì)怏w濃度。當(dāng)垃圾桶內(nèi)存在可燃?xì)怏w時(shí)，煙霧傳感器表面導(dǎo)電率會(huì)隨著煙霧濃度的增加而增大，輸出電阻減小，模擬信號(hào)變大。再通過ADC0832將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，根據(jù)相關(guān)公式轉(zhuǎn)換，得到實(shí)際濃度值。MQ-2煙霧傳感器電路原理如圖3所示。

2.4 超聲波測距模塊

該模塊采用HC-SR04超聲波傳感器，將傳感器置于垃圾桶上方內(nèi)側(cè)，用于檢測垃圾桶是否裝滿。該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。通過單片機(jī)I/O口給超聲波傳感器Trig引腳不少于10 μs的高電平觸發(fā)信號(hào)，獲得觸發(fā)信號(hào)后超聲波模塊會(huì)發(fā)出8個(gè)40 kHz的矩形波，遇到障礙物后矩形波會(huì)按相反路徑反射，使得Echo引腳輸出高電平。高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波的往返時(shí)間。通過超聲波測距公式：距離=時(shí)間×聲速/2得到該距離的測量值，從而實(shí)現(xiàn)垃圾桶滿溢狀態(tài)的檢測。

2.5 桶蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桶蓋系統(tǒng)由HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。人體紅外感應(yīng)模塊具有靈敏度高、可靠性高、功耗低等特點(diǎn)，當(dāng)檢測到用戶靠近時(shí)模塊會(huì)輸出高電平，反之則輸出低電平。輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)變可以被用于觸發(fā)控制垃圾桶蓋的開合[7]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊能夠提供高達(dá)2 A的電流輸出，對(duì)不同類型電機(jī)的電流和電壓要求也較為靈活，能夠穩(wěn)定控制垃圾桶蓋進(jìn)行開合操作。

2.6 NB-IoT模塊

NB-IoT是一種低功耗、長距離通信技術(shù)，適用于連接廣泛分布的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[8-9]。系統(tǒng)采用BC26模塊，該模塊體積較小，能夠?yàn)樵O(shè)備節(jié)省更多空間。模塊支持TCP/IP、UDP、CoAP、MQTT等協(xié)議，具有多項(xiàng)安全措施，用戶開發(fā)選擇性多的同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸和安全管理。BC26通過小數(shù)據(jù)量、長連接、低速率傳輸方式，大幅降低了功耗，從而實(shí)現(xiàn)長時(shí)間可靠運(yùn)行。BC26模塊原理如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

總程序流程如圖5所示。

系統(tǒng)上電后單片機(jī)發(fā)送AT指令給NB-IoT模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)初始化，隨后采集溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊、超聲波測距模塊、紅外傳感器的數(shù)據(jù)，上傳至阿里云平臺(tái)。當(dāng)采集的溫度和煙霧濃度超過閾值且超聲波檢測到垃圾桶溢滿時(shí)，單片機(jī)發(fā)送相關(guān)AT指令，工作人員能夠在云平臺(tái)上接收信息，及時(shí)處理問題，提高了垃圾桶的安全性與工作效率。

4 系統(tǒng)測試

4.1 NB-IoT模塊初始化聯(lián)網(wǎng)測試

通過CH340連接NB-IoT模塊，在上位機(jī)利用串口調(diào)試助手發(fā)送AT指令，測試模塊是否初始化并聯(lián)網(wǎng)成功[10]。串口調(diào)試界面如圖6所示。

4.2 NB-IoT模塊上傳數(shù)據(jù)流程測試

對(duì)NB-IoT模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測試，以確保模塊能夠成功連接阿里云并通信。發(fā)送數(shù)據(jù)相關(guān)代碼如圖7所示。

4.3 阿里云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)端、可視化端測試

在本設(shè)計(jì)中采用阿里云作為接收端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過測試，設(shè)備顯示為在線狀態(tài)，能夠接收并可視化垃圾桶的溫度、煙霧濃度、溢滿信息等數(shù)據(jù)。阿里云展示界面如圖8所示。

5 結(jié) 語

文中設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的智能垃圾桶系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測垃圾桶的狀態(tài)，并通過阿里云平臺(tái)進(jìn)行可視化展示。系統(tǒng)利用NB-IoT技術(shù)保障數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性和穩(wěn)定性。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集垃圾桶內(nèi)部相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT模塊發(fā)送至云平臺(tái)保存，通過數(shù)據(jù)可視化，垃圾桶處于異常狀態(tài)時(shí)能夠及時(shí)提醒相關(guān)人員進(jìn)行處理。該系統(tǒng)解決了垃圾桶溢滿、桶內(nèi)著火等無法及時(shí)處理的問題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和擴(kuò)展性，之后會(huì)對(duì)其不斷完善。

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基金項(xiàng)目：南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（PJ20221390507）

作者簡介：李城州（2001—），男，本科在讀，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式。

趙文豪（2002—），男，本科在讀，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

陳美玲（1984—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制、圖像處理、信號(hào)處理。