姚干+孫兆沛+何頂新

摘 要：為實現(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，文中提出了一個基于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、滿溢報警以及顯示等功能。采用4G模塊USR-LTE-7S4通過HTTP協(xié)議與微信公眾平臺通信，系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)時間生成隨機字符串，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?。試驗表明，該系統(tǒng)成本低，能夠長期穩(wěn)定運行，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；HTTP；SHA-1

中圖分類號：TP23 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-04

0 引 言

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

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為推動垃圾分類、改善社區(qū)環(huán)境，國內(nèi)很多社區(qū)已開始陸續(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景受限等問題。為解決以上問題，本文基于4G模塊以及微信公眾平臺（以下簡稱“平臺”）設(shè)計了一套垃圾回收系統(tǒng)。用戶先使用系統(tǒng)的二維碼掃描槍對垃圾袋上的二維碼進行掃描，然后通過按鍵選擇垃圾種類，系統(tǒng)對垃圾稱重后，通過4G模塊將信息上傳到平臺，平臺返回用戶姓名和積分等信息并用液晶模塊顯示。系統(tǒng)檢測到垃圾滿時，自動向平臺報警，通知工作人員回收。該系統(tǒng)成本極低，可擴展性強，滿足了大多數(shù)社區(qū)的使用場景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以STM32F103C4T6為主控芯片（以下簡稱“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：測量回收的垃圾重量，通過4G模塊將信息上傳到平臺。

（2）滿溢檢測模塊：檢測垃圾是否已經(jīng)堆滿，若堆滿則通過蜂鳴器提醒用戶，并通過4G模塊向平臺報警。

（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4G模塊上傳到平臺。

（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，將垃圾重量、種類和二維碼上傳到平臺，然后接收平臺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)能夠獨立運行。

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

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

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)壓電源和時鐘振蕩器，可靠性高；采用差分輸入，具有高達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80Hz[4]。

2.2 滿溢檢測模塊

采用一對紅外發(fā)射與接收管檢測系統(tǒng)狀態(tài)，具有成本低，安裝方便，抗干擾好等優(yōu)點。發(fā)射管發(fā)射紅外線，遇到垃圾被反射回來，接收管接收到時電阻發(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?？赏ㄟ^電位器調(diào)節(jié)檢測范圍（3～80 cm），檢測角度為30°。

2.3 二維碼掃描模塊

雖然攝像頭成本較低，硬件電路也越來越集成化，但二維碼解碼涉及圖像處理，不僅消耗大量內(nèi)存資源，且算法復(fù)雜，運算量大。本系統(tǒng)選用的MCU的RAM為6 KB，CPU的主頻為72 MHz[5]，無法實現(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)部采用激光頭對二維碼進行掃描并識別，識別結(jié)果以ASCII碼通過串口發(fā)送至MCU。采用5 V電源供電，無需驅(qū)動程序，配置簡單，可進行連續(xù)的、多種二維碼的掃描。不工作時進入休眠狀態(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點陣的漢字字庫。采用5 V供電，將PSB引腳接地，通過串行模式連接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4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，接收返回數(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、電信4G及聯(lián)通3G和2G網(wǎng)絡(luò)。通過AT指令配置工作參數(shù)，支持自定義注冊包、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)透傳模式將串口數(shù)據(jù)封裝為TCP或UDP數(shù)據(jù)，支持長連接和短連接；HTTPD模式則將串口數(shù)據(jù)組包為HTTP數(shù)據(jù)包發(fā)送。

考慮平臺業(yè)務(wù)的可擴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)包長度更大，故采用TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)，其下傳輸速率能達到下行150 Mb/s，上行速度50 Mb/s，滿足系統(tǒng)的實時性要求。

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開關(guān)穩(wěn)壓電源，具有3 A的負(fù)載驅(qū)動能力，完全滿足系統(tǒng)運行所需電流；電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率都很小，內(nèi)置過熱保護電路和過流保護電路，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行；相較于線性穩(wěn)壓源，LM2576效率更高，能提供更長的續(xù)航時間[7]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 微信公眾平臺

平臺一方面處理垃圾桶發(fā)送的HTTP請求，并返回數(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、積分管理和意見反饋等。用戶需要關(guān)注公眾號，綁定手機并完善相關(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，處理垃圾桶滿溢報警等。平臺接受垃圾桶發(fā)送的HTTP請求字段見表2所列。

平臺返回給垃圾桶的數(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種返回數(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：滿溢報警成功；

（3）-1，簽名失?。汉灻徽_；

（4）-2，簽名重復(fù)：隨機字符串與之前的重復(fù)；

（5）-3，用戶不存在：無該用戶信息。

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

3.2.2 二維碼掃描

ST2200自動掃描二維碼，掃描結(jié)果為字符串形式，以回車符（0x0D）結(jié)尾，通過串口發(fā)送到MCU。采用USART1中斷接收，當(dāng)檢測到回車符且100 ms內(nèi)未接收到其他字符時則發(fā)送結(jié)束，并存儲二維碼信息。

3.2.3 稱重

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

3.2.4 HTTP請求

完成一次HTTP請求的過程如圖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)送的隨機字符串不重復(fù)。通常產(chǎn)生隨機數(shù)采用rand函數(shù)，首先調(diào)用srand函數(shù)初始化隨機數(shù)種子，當(dāng)隨機數(shù)種子相同時，會導(dǎo)致rand函數(shù)產(chǎn)生的隨機數(shù)為固定序列，因而產(chǎn)生的是偽隨機數(shù)[8]，無法滿足要求。為產(chǎn)生不重復(fù)的隨機字符串，采用以下方法：

（1）向平臺發(fā)送請求，獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時間，系統(tǒng)返回時間字符串如20161220132748，取后10個字符為1220132748，記為St；

（2）采用rand函數(shù)連續(xù)產(chǎn)生6個隨機數(shù)，查找隨機數(shù)對應(yīng)的ASCII字符，得到6個字符，將St與之結(jié)合得到隨機字符串。由于隨機字符串包含了當(dāng)前時間，即使rand函數(shù)具有相同的隨機數(shù)種子，也能得到不重復(fù)的隨機字符串。

3.2.5 簽名參數(shù)

簽名參數(shù)包含ticket和隨機字符串。ticket為4G模塊與平臺通信的臨時票據(jù)，為避免頻繁刷新，簡化流程，采用用戶自定義的固定ticket，長度為86個字符。將ticket和隨機字符串（nonceStr）采用字典序排序，最后加上請求的URL，中間用“&”連接。

3.2.6 SHA-1

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

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

SHA-1預(yù)處理

（1）補充消息：將M轉(zhuǎn)換為二進制，然后添加1個二進制“1”和k個二進制“0”，使得n+1+k≡448mod512，最后添加64 b的消息長度信息；

（2）消息分塊：將消息分為N個512 b的數(shù)據(jù)塊，記為M（1）、M（2）…M（N），每個數(shù)據(jù)塊可分為16個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 仿真和實驗

首先采用Http Requester代替4G模塊向平臺發(fā)送POST請求，以驗證在各種情況下平臺返回的數(shù)據(jù)是否正確，如圖6所示。測試投放塑料瓶，平臺返回數(shù)據(jù)，其中包含用戶姓名、投放垃圾類型以及返還金額。

最后進行系統(tǒng)測試，分別測試滿溢報警以及投放紙質(zhì)垃圾，液晶顯示如圖7（a）所示，平臺推送消息如圖7（b）所示。

5 結(jié) 語

為推動智慧社區(qū)的垃圾分類，基于STM32設(shè)計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。采用微信公眾平臺提供服務(wù)，向用戶反饋垃圾回收信息。相對于現(xiàn)有的垃圾回收系統(tǒng)成本低，適用場景廣，具有友好的人機接口和報警機制，值得應(yīng)用和推廣。

參考文獻

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