李力 張賜煜

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能系統(tǒng)；水面垃圾清理器

1引言

公園湖泊和城市景觀河道是人們業(yè)余休閑活動的主要場所，由于各種原因，水面經(jīng)常漂浮著塑料瓶、泡沫、樹葉、小樹枝、塑料袋等各類垃圾，沒能及時清理，影響周圍環(huán)境。垃圾長期漂浮在水中不但會產(chǎn)生病原微生物，在腐敗過程中還會產(chǎn)生大量的酸性和堿性有機污染物，并會將其中的重金屬溶解出來，形成有機物質、重金屬和病原微生物等污染源。這不僅會降低水質量，同時會影響水域的觀賞性。此外，垃圾是蚊、蠅的滋生地，其含有許多致病微生物，這些因素必然會影響社會廣大市民的身體健康。

目前，我國水面垃圾的打撈水域可分為大型水域和觀賞性水域。在大型水域通常采用垃圾打撈船進行打撈，而觀賞性水域（如公園湖泊、城市景觀河道等）則通常采用人工打撈的方式進行打撈。垃圾打撈船體積龐大，靠近岸邊的垃圾仍依靠人工打撈。所以，無論哪種水域，人工打撈都是不可避免的，人工打撈通常難度較大、費時費力效率低，且往往是周期性打撈，漂浮垃圾不能被及時打撈，直接影響城市形象和生態(tài)文明建設。

據(jù)《中國環(huán)境新聞網(wǎng)》數(shù)據(jù)顯示，2018年我國水面垃圾處理行業(yè)規(guī)模達42億元，并以平均每年49.2%的增長率快速增長，預計2025年水面垃圾處理行業(yè)規(guī)模將達145億元。目前，水面漂浮垃圾治理方法普遍是清潔人員利用船只配合打撈工具在污染水域巡航打撈。該方法不僅工作效率不高，而且清潔工的勞動強度大，易受烈日寒冬的影響，并且腐臭環(huán)境對清潔工的身體有不良影響。少部分水面垃圾清潔設備只能依賴進口，價格昂貴。

傳統(tǒng)水面垃圾清潔器一般位置固定、不方便移動，需人工調整位置對準漂浮垃圾聚集區(qū)，還需要人工定時查看清理。雖然國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出比較先進的水面垃圾清理裝置，但是體積較大，結構復雜且難以攜帶，不利于面積較小或形狀復雜多變的城市河道、景觀水池、飲用水庫的垃圾清理，而且這些裝置絕大多數(shù)使用燃油驅動，對需清理的水域會造成二次污染。因此，開發(fā)一款能夠降低水面漂浮垃圾打撈成本、降低打撈難度、提高水體質量的設備，填補水面垃圾清潔智能設備的空白，是十分必要的。水面垃圾清理器——“水面清道夫”水面清潔垃圾桶就是基于此而研發(fā)的。

2產(chǎn)品工作原理和硬件設計

本項目研制的“水面清道夫”是一款結合物聯(lián)網(wǎng)技術的水面垃圾清潔設備，主體由內(nèi)桶、外桶以及水泵構成，通過水泵在桶內(nèi)形成微漩渦，將附近的漂浮物吸附進桶內(nèi)，實現(xiàn)垃圾自動收集，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術進行智慧監(jiān)控，將數(shù)據(jù)反饋至用戶手機，整個垃圾清理過程只需人工定期清理網(wǎng)兜內(nèi)垃圾，即可保證設備正常工作運轉。該設備耗電量小，清理效率高，能清理湖泊、小河沿岸等水域的漂浮垃圾，其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

產(chǎn)品物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信層面使用了NB-IoT技術配合MQTT協(xié)議。為了更好地搭配NB-IoT技術，傳輸協(xié)議層使用了MQTT協(xié)議，MQTT是專門針對物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的輕量級傳輸協(xié)議。工作在TCP/IP協(xié)議上，由TCP/IP協(xié)議提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接；MQTT協(xié)議針對低帶寬網(wǎng)絡，低計算能力的設備，做了特殊的優(yōu)化，使其能適應各種物聯(lián)網(wǎng)應用場景。目前，MQTT擁有各種平臺和設備上的客戶端，已經(jīng)形成初步的生態(tài)系統(tǒng)，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

2.1產(chǎn)品工作原理

產(chǎn)品主體由內(nèi)桶、外桶以及水泵構成，智能控制部分由STM32單片機主控，通過水位傳感器等獲取水域水位、流速等信息，利用電動推桿控制外桶的升降，外桶可根據(jù)水位自動調節(jié)高度。底部裝有抽水泵，水進入垃圾桶后，內(nèi)桶由于受到浮力會升起至高于水面，然后水泵將水排出，使漂浮垃圾間歇性地進入濾網(wǎng)內(nèi)桶中，解決了傳統(tǒng)的水上垃圾桶漂浮垃圾容易再次隨著水流走的問題。

2.2內(nèi)桶自動浮起設計

內(nèi)桶上半部分使用泡沫材料充當浮子，隨著水不斷涌人桶內(nèi)，內(nèi)桶隨浮力的增加而上升，直到高于水平面后，水無法再進入。此時抽水泵將水抽出，內(nèi)桶隨桶內(nèi)的水減少而下降，水會再次進入桶內(nèi)。

2.3內(nèi)部防水設計

底部排水采用單向閥門設計，有效防止水從底部滲入，防止水滲入腐蝕設備，外觀設計采用圓梯形，以降低水對外筒的浮力影響，大大提高設備使用壽命。

3管理系統(tǒng)設計

水面垃圾清理器智能系統(tǒng)主要由硬件端和軟件端組成。其中，硬件端中控機負責獲取服務器指令隊列、下發(fā)指令至執(zhí)行器和上傳狀態(tài)機中的數(shù)據(jù)；執(zhí)行器模塊控制電機運轉、維護設備動力以及處理中控機的指令：狀態(tài)機模塊負責定時上報設備參數(shù)和意外預警。軟件端按功能劃分為數(shù)據(jù)庫端、服務端和客戶端。數(shù)據(jù)庫端處理設備數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，服務端主要用于收發(fā)數(shù)據(jù)和儲存指令隊列，客戶端用于用戶身份驗證、設備操作和設備監(jiān)聽。

3.1運行設計

3.1.1整體框架

在對基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水面垃圾清理器智能系統(tǒng)進行設計時，主要以整個處理功能所呈現(xiàn)出的訴求點為基礎，構建基于智能處理與終端操控部件相整合的系統(tǒng)框架，整體框架如圖2所示。

框架要點如下：（1）用戶點擊小程序發(fā)起HTTPrequest請求，該請求被提交到DispatcherServlet（前端控制器）；（2）由DispatcherServlet請求一個或多個HandlerMapping（處理器映射器），并返回一個執(zhí)行鏈（HandlerExecutionChain）;（3）DispatcherServlet將執(zhí)行鏈返回的Handler信息發(fā)送給HandlerAdapter（處理器適配器）；（4） HandlerAdapter根據(jù)Handler信息找到并執(zhí)行相應的Handler（常稱為Controller）；（5）HandlerAdapter接收到ModeIAndView對象后，將其返回給DispatcherServlet；（6）DispatcherServlet接收到ModelAndView對象后，向客戶端發(fā)起請求ViewResolver（視圖解析器）并對視圖進行解析；（7）ViewResolver根據(jù)View信息匹配到相應的視圖結果，并返回給DispatcherServlet；（8）DispatcherServlet接收到具體的View視圖后，進行視圖渲染，將Model中的模型數(shù)據(jù)填充到View視圖中的request域，生成最終的View（視圖）；（9）視圖負責將結果顯示到小程序。

3.1.2運行設計

（1）執(zhí)行流程

執(zhí)行流程為“小程序一服務器_設備”。

①小程序向服務器發(fā)送執(zhí)行命令（附帶目標設備信息），服務器記錄并等待目標設備執(zhí)行。

②設備定時向服務器獲取執(zhí)行列表并執(zhí)行命令。

（2）數(shù)據(jù)流程

數(shù)據(jù)流程為“小程序－服務器－設備”。

①設備向服務器發(fā)送執(zhí)行反饋或心跳請求（請求內(nèi)容包括設備狀態(tài)、水質信息）。

②服務器記錄設備上傳的信息，標記執(zhí)行反饋并將信息儲存到服務器。

③小程序可通過相應服務器獲取各設備信息。

（3）通信協(xié)議

通信協(xié)議為“小程序－HTTP－服務器-MQTT－設備”。

檢測終端可以檢測裝置容量、水位等信息，并獨立于收集裝置。微信小程序和服務器之間使用HTTP協(xié)議，服務器和清潔設備之間使用MQTT協(xié)議。

（4）網(wǎng)絡

網(wǎng)絡為“小程序－4G－服務器-NB-IoT－設備”。

檢測終端可以檢測裝置容量、水位等信息，并獨立于收集裝置。檢測終端與信息接收終端形成雙向通信，通信采用4G通信網(wǎng)絡。服務器和垃圾清潔器之間通過NB-IoT建立聯(lián)系，實現(xiàn)小程序對清潔設備的智能控制。

（5）單片機控制

通過STM32單片機、水位及水質傳感器、NB-IoT通信模組等硬件，結合軟件開發(fā)技術，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術的設備智能化。小程序通過HTTP協(xié)議發(fā)送控制水泵請求，服務器記錄請求并等待執(zhí)行，設備通過MQTT協(xié)議向服務器發(fā)送獲取執(zhí)行報文（次/30s），獲取執(zhí)行操作后反饋給服務器執(zhí)行狀態(tài)及結果，服務器獲取反饋后標記請求狀態(tài)將其存人數(shù)據(jù)庫。

（6）設備狀態(tài)監(jiān)聽

設備定時（1次／分鐘）向服務器發(fā)送心跳請求，其中附帶設備狀態(tài)信息，包括但不限于電量、容量、水質等信息，服務器接受心跳請求記錄設備狀態(tài)。小程序可通過遠程連接服務器的數(shù)據(jù)庫獲取設備狀態(tài)信息。

（7）姿態(tài)調整

小程序向服務器發(fā)送姿態(tài)調整請求，服務器進入實日寸連接狀態(tài)并請求設備進行實時連接，設備獲取服務器請求進入姿態(tài)狀態(tài)，更改獲取執(zhí)行報文時間間隔1s．姿態(tài)調整完畢后小程序向服務器發(fā)送關閉姿態(tài)調整請求，服務器斷開設備實時連接，設備恢復獲取執(zhí)行報文時間間隔30s。

（8）消息推送機制

主要分為三個模塊來開發(fā)，即Comet，Web，Message。

Comet模塊：負責消息排隊、向客戶端程序推送數(shù)據(jù)；系統(tǒng)依據(jù)消息ID順序獲取消息，消息推送后在Comet中排隊，然后發(fā)起RPC給Message，以實現(xiàn)消息存儲。

Message模塊：負責消息的存儲和讀寫；接收來自Comet模塊的消息并進行持久化，或接收Web模塊的讀取消息并請求獲取離線消息。

Web模塊：負責節(jié)點詢問、離線消息獲取及后臺節(jié)點管理等；節(jié)點詢問主要依據(jù)客戶端的訂閱Key -致性hash計算出連接的Comet節(jié)點地址：離線消息通過Web接口返回給客戶端，但消息的讀取則通過RPC發(fā)送給Message模塊，盡量保證職責單一。

4結束語

基于廣東科學技術職業(yè)學院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，項目團隊研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的“軟硬結合”的水面清潔設備，其清潔效率高、簡單便捷、使用成本低。