徐愛蘭 李良程 李翔宇 曹埔銘 朱晏民 楊雪薇

摘? 要：該文設計了一種遠程監(jiān)測垃圾桶滿溢的節(jié)點。該節(jié)點以MSP430F149單片機為核心控制單元，利用超聲波測距感應器測量垃圾桶內垃圾高度，當檢測到垃圾量將滿時，控制單元發(fā)送告警信號，通過NB-IoT將告警信息傳送至遠端服務器，提醒環(huán)衛(wèi)工人收集處理垃圾。該系統(tǒng)具有功耗低、易于維護和管理等優(yōu)點，使得環(huán)衛(wèi)工作人員對分散四處的垃圾桶管理更加方便有序，可顯著提高了管理效率。

關鍵詞：垃圾桶監(jiān)測? 單片機? 物聯(lián)網? 節(jié)點設計

中圖分類號：X705 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（b）-0004-03

Design of Dustbin Overflow Monitoring Node Based on NB-IoT

XU Ailan1? LI Liangcheng2*? LI Xiangyu2? CAO Puming2? ZHU Yanmin2? YANG Xuewei2

（1.Nantong Environmental Monitoring Center， Nantong， Jiangsu Province， 226006 China;2.School of Information Science and Technology of Nantong University， Nantong， Jiangsu Province， 226019 China）

Abstract： This paper designs a node for remote monitoring trash can to prevent its garbage overflow. This node takes MSP430F149 MCU as the core control unit， and uses ultrasonic distance measurement sensor to measure the height of garbage in the garbage can. When it detects that the garbage will be full， the control unit sends an alarm signal， and NB-IoT sends the alarm information to the remote server to remind sanitation workers to collect and process garbage. The system has the advantages of low power consumption， easy maintenance and management， etc.， making it more convenient and orderly for sanitation staff to manage the scattered trash cans， which can significantly improve the management efficiency.

Key Words： Garbage can monitor; Single chip microcomputer; Internet of things; Node design

隨著人們生活水平的提升，人們對環(huán)境的要求也日益提高。生活中公共場所隨處可見的垃圾桶，特別是街道兩側的垃圾桶，每天需要環(huán)衛(wèi)工人花費大量的時間和精力去管理和清理，這也是令環(huán)衛(wèi)管理者感到困擾的問題。傳統(tǒng)的管理方法是讓環(huán)衛(wèi)工人每天定時來清理垃圾桶中的垃圾，這種工作方式的效率十分低下，不能夠及時對已經滿溢出垃圾的垃圾桶進行處理，一定程度上影響了市容[1]。該文針對這一問題，提出一種遠程垃圾桶滿溢監(jiān)測節(jié)點設計方案，可以對布設的垃圾桶滿溢程度進行實時監(jiān)測，及時處理即將滿溢的垃圾桶，可以快速、準確、高效地處理垃圾桶滿溢問題。

目前，國內外在垃圾桶滿溢監(jiān)測的開發(fā)方面都取得了一定進展[2，3]，但這些設計多數(shù)主要針對個人或家庭使用場景，成本相對較高且功耗較大，測量精度有待提高，不便于區(qū)域乃至整個城市層面的大范圍布設。因此，該文借助NB-IoT將分散四處的垃圾桶連接到遠端服務器，監(jiān)控垃圾桶的狀態(tài)。該設計將功能精簡化，盡可能降低成本，減少功耗，意在可用于環(huán)衛(wèi)垃圾桶滿溢監(jiān)控和管理。

1? 系統(tǒng)結構與設計

如圖1所示，該系統(tǒng)由單片機、超聲波測距模塊、無線通信模塊、GPS模塊、供電模塊以及遠端的服務器組成。該系統(tǒng)的主要工作原理為：單片機周期性的測試節(jié)點的位置信息與電池電壓信息，并利用超聲波測距傳感器周期性的掃描測距，并將距離數(shù)據(jù)通過串口送至單片機;單片機根據(jù)收到的有效數(shù)據(jù)，檢測垃圾桶內垃圾高度是否達到預設門限，若已達到預設門限，則通過無線傳輸模塊發(fā)送警告指令至遠程中心服務器。環(huán)衛(wèi)中心則根據(jù)收到的告警信息和定位信息安排工作人員及時到達相應位置清理垃圾。

1.1 硬件設計

垃圾桶滿溢監(jiān)測節(jié)點硬件部分由MSP430F149單片機、JSN-SR04T超聲波距離傳感器、NB-IoT通信模塊BC-95、GPS模塊NEO-6M和二號干電池供電電源等模塊組成。

MSP430F149單片機是美國TI公司開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，其性價比和集成度極高，可在超低功耗模式下工作。在IAR開發(fā)環(huán)境下，可在線對單片機進行調試和下載，開發(fā)方便，代碼簡單易讀。MSP430F149單片機通過串口分別與超聲波測距模塊以及定位模塊相連，利用SPI控制無線傳輸模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。

超聲波測距傳感器型號為JSN-SR04T，其測量距離范圍為20～600cm，精度可達2mm;同時功耗極低，最大程度提高了模塊的待機續(xù)航能力;防水防塵，完全適用于惡劣條件的工作環(huán)境。經測試選用其第三模式，每隔5min進行一次掃描，采集數(shù)據(jù)可直接通過串口傳至單片機，進行后續(xù)處理。

無線通信模塊選用NB-IoT，即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網技術是近些年IoT領域新進的一項技術[4，5]，相對GPRS技術最大的優(yōu)勢在于其功耗極低，由于引入了PSM低功耗模式，可使模塊保持在線情況下減少不必要的指令。設計選用的BC-95通信模塊相對于GPRS的SIM800C模塊可以延長3倍電池使用壽命。在實際測試下，BC-95模塊功耗為μA級別，因此可以保持長期開機狀態(tài)，節(jié)省指令。同時NB-IoT技術可靠性相對GPRS更高，由于使用獨立的180kHz，不占用現(xiàn)有網絡帶寬，可以保證數(shù)據(jù)回收率達99%。

GPS模塊NEO-6M，具有高靈敏度、低功耗、小型化、其極高追蹤靈敏度可擴大其定位的覆蓋面，在普通GPS接收模塊不能定位的地方，如密集的叢林環(huán)境，NEO-6M都能高精度定位。為垃圾桶準確定位跟蹤提供強有力的技術支撐。

供電模塊方面，擬選用ER26500鋰氬電池，其單節(jié)電池可提供3.7V，但由于其售價過高，也不方便用戶購買更換，故沒有采用。太陽能供電同樣被作為備選方案，但經測算，即使每天可以保證8h日照，但每個系統(tǒng)節(jié)點需要配備約15cm×15cm的太陽能光伏板，無論從成本、體積還是安裝等方面考慮都不合適，故沒有采用。最終，采用3節(jié)二號干電池供電的方案，3節(jié)干電池可提供4.5V電壓，提供的電量雖不及鋰氬電池，但依舊可以保證系統(tǒng)相當長時間的持續(xù)運行，其最大的優(yōu)勢是成本低，易于更換。

1.2 軟件設計

垃圾桶滿溢監(jiān)測節(jié)點軟件設計流程如圖2所示，（1）單片機初始化時鐘，初始化NB-IoT模塊，定時器中斷，串口中斷，外部中斷等;（2）若定時時間到，通過GPS模塊測量節(jié)點坐標位置;否則，節(jié)點進入休眠狀態(tài);（3）通過12位ADC監(jiān)測電池電壓;（4）超聲波測距傳感器對垃圾桶內垃圾進行測距;（5）判斷垃圾高度是否達到設定的閾值，若達到閾值，則立刻通過NB-IoT發(fā)送告警信息至遠端服務器，該數(shù)據(jù)包包含自身剩余電量信息、位置信息、垃圾高度信息，信號質量信息，節(jié)點ID號等;若未達到閾值，則跳轉至步驟（2）。

環(huán)衛(wèi)管理人員可以在控制中心[6]，根據(jù)每個垃圾桶裝有垃圾量實時顯示的統(tǒng)計結果，調度垃圾收集車的運行軌跡，提高了垃圾清理的效率和精準性。

2? 實驗與測試

圖3是根據(jù)第2節(jié)硬件和軟件設計原理制作的垃圾桶滿溢監(jiān)測節(jié)點。經過實驗測試，MSP430單片機工作模式下功率為0.65mW，待機模式下則僅有0.0026mW;JSN-SR04T采用第三模式盡可能降低功耗，工作電流為2mA;而BC-95模塊的工作電流可以低至5μA，進入PSM低功耗模式下更可以忽略不計。同時，系統(tǒng)的工作流程為白天16h，每5min進行一次采集處理，持續(xù)時間10s左右，夜間采集頻率降至1h一次;非工作時間系統(tǒng)所有模塊均進入低功耗/睡眠模式。經循環(huán)功耗測試后，確定整個系統(tǒng)24h的功耗約為1.8W，正常的3節(jié)二號電池總計4.5Ah的電量可以支持系統(tǒng)持續(xù)運行超過20個月。

3? 結語

該智能環(huán)衛(wèi)垃圾桶監(jiān)測節(jié)點設計簡單，造價便宜，安裝布設方便靈活。對垃圾桶的垃圾量做出實時監(jiān)測，借助遠程數(shù)據(jù)服務器平臺，可幫助環(huán)衛(wèi)工提高收集效率，提升市容環(huán)境的整潔度，且設備功耗低，能在各種惡劣環(huán)境下長期使用。

參考文獻

[1] 李明，王晨景.綠色全自動智能分類垃圾桶[J].科技資訊，2017，15（16）：124.

[2] 朱鈺磊，程曉茜，莊瑤.基于家居式的智能垃圾桶設計[J].農村經濟與科技，2017，28（4）：278-280.

[3] 李達，包從望，李立業(yè)，等.垃圾桶溢滿處理設計[J].科技與創(chuàng)新，2018（8）：121-122.

[4] 陳海，許紹松，陳鋒，等.NB-IoT組網應用研究[J].郵電設計技術，2019（5）：47-51.

[5] 裴壯.基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網（NB-IoT）技術性能及運用[J].中國新通信，2019（18）：7.

[6] 丁怡偉.面向公共衛(wèi)生設施的交互設計研究[D].北京林業(yè)大學，2019.