基于WSN和GSM的城市垃圾智能監測系統設計

摘要：針對現代社會中日益突出的城市垃圾問題，提出了一種利用WSN（無線傳感器網絡）技術對城市垃圾箱狀態進行實時監測的設計。通過安裝在垃圾箱上的傳感器裝置，檢測垃圾箱裝載程度以及是否有物體燃燒等，利用GSM網絡將垃圾箱狀態信息實時發送到清潔管理人員手持移動設備上，了解垃圾箱當前狀態并及時采取處理措施，防止垃圾過多造成的環境污染以及影響城市面貌，同時避免在人口密集地方垃圾燃燒產生的有害物質對市民的危害。通過大量的研究和系統實地測試，結果表明該設計方案有效可行，數據能夠準確可靠傳輸，發生異常時信息通過短信方式能及時發送到手機設備上。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/170158.htm

關鍵詞：城市垃圾問題；WSN；GSM；垃圾箱狀態；實時監測

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.006

引言

隨著社會經濟的快速發展和城市人口的高度集中，城市垃圾問題變得日益突出。據統計，我國城市生活垃圾平均每年以10%的速度遞增。全世界每年產生4.9億噸垃圾，而中國每年就產生近1.5億噸的城市垃圾，到2010年全國城市生活垃圾累積堆存量已達70億噸[1-2]。城市街道、社區以及旅游景區等地方，經常會出現垃圾堆積成山狀況，特別是一些地方的垃圾箱由于不能及時得到清理導致垃圾過多，嚴重污染環境以及影響城市面貌，同時由于人為或自然因素導致垃圾燃燒而產生有害氣體，特別是在一些商業街區、火車站、景區等人員密集的地方，不但污染空氣，而且對人體造成危害，甚至可能引發火災。針對以上問題，設計了一種基于WSN和GSM技術，以城市中垃圾箱為監測對象，對垃圾箱狀態進行檢測并將信息反饋到移動終端設備實時監測系統。文中對系統總體框架、WSN組網、具體硬件電路實現以及軟件設計等方面進行了詳細分析設計，通過實驗證明了設計的可行性、穩定性以及實用性。

系統總體架構原理

根據城市中垃圾箱分布特點，采取區域劃分的方式進行監測管理，把所有垃圾箱劃分為若干個區域，選取距離較近垃圾箱組成一個無線傳感器監測網絡，采用“多跳”路由通信方式，把垃圾箱狀態信息發送到匯聚節點整合處理，利用GSM網絡轉發到清潔管理人員手持移動設備上，實時了解垃圾箱當前狀態。系統總體結構如圖1所示。

傳感器節點

傳感器節點主要完成數據的采集。由于節點需要長時間運行，應采用最低端的MCU，硬件電路結構盡量簡單，最大程度降低功耗。選取Chipcon公司推出的CC2430[4]芯片，它的功能模塊集成了CC2420RF收發器、增強工業標準的8051MCU、8通道8～14位ADC、可選32/64/128KB閃存、8KB SRAM等，具有超低能耗。考慮到傳感器節點實際工作環境和節點低功耗要求，采取“太陽能和充電電池”聯合供電模式，太陽能電池板通過充放電控制電路與充電電池相連，充電電池經電源管理電路向節點供電。傳感器節點結構如圖3所示。

匯聚節點

匯聚節點應具有較強的處理、存儲和通信能力，采用三星公司的 S3C2410作為匯聚節點的主控制器，S3C2410最高工作頻率達203MHz，體積小、功耗低，擁有豐富片外資源，匯聚節點硬件結構如圖4所示。電源模塊使用直流電源和電池相結合供電，電源管理芯片具有電平轉換以及對電池進行充電等功能。節點提供JTAG調試接口，只需外接調試器即可進行系統在線調試，方便系統程序的二次開發。無線收發模塊采用CC2430外加低功耗、高性能射頻前端CC2591[5-6]芯片，通信距離可達1km以上，增加網絡覆蓋的范圍，增強節點的無線收發能力。

系統軟件設計

節點軟件設計

節點軟件設計包括傳感器節點和匯聚節點。傳感器節點主要完成對垃圾箱狀態信息采集處理，并通過射頻通信模塊將處理后的數據傳輸給匯聚節點。為了降低系統功耗，節點采取“發送-休眠-發送”工作方式，節點以一定的周期采集現場狀態信息，并將采集的數據進行處理，提取監測對象狀態的特征信息，判斷是否發生異常，傳感器節點工作流程如圖5所示。匯聚節點主要負責整個無線傳感器網絡的建立、維護以及所有傳感器節點數據匯集處理，并將數據通過 GSM以短信方式發送至管理人員手機。

GSM短信息發送設計

控制器S3C2410利用AT指令控制GSM模塊通過短信息與終端設備通信，選擇Siemens公司推出TC35i[7]作為無線通信GSM模塊，可以快速安全可靠的實現數、語音傳輸、短消息服務（SMS）和傳真。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU（協議數據單元）模式的短消息。短信息發送流程如圖6所示。設計采用PDU模式收發短信，不僅支持中文短信息，也能發送英文短信息，漢字采用十六進制Unicode編碼字符。TC35i常用AT命令如下：

選擇成都理工大學校園內的10個垃圾箱作為測試對象，在每個垃圾箱上安裝傳感器檢測裝置，把手機作為接收終端設備。當垃圾箱裝滿時，隔一段時間后，手機能夠接收到異常短信。利用人工生煙的方法，對垃圾箱狀態進行改變，采用煙霧傳感器檢測煙霧濃度。設定煙霧濃度閾值為900ppm，選擇測試時間為08：00-08：14，煙霧測試結果如表1所示。結果表明，當煙霧濃度超過設定值時，匯聚節點通過GSM模塊發送異常短信，手機可以正常接收。

本文著重對一些重要電路和關鍵技術進行分析和設計，并通過現場測試證明了系統運行良好，盡管WSN有很多優點，但是在信號抗干擾、數據傳輸等方面仍然存在一些不足。通過對硬件設備采取接地、濾波等處理，降低外界信號干擾。同時增加采集數據的頻率以及采取濾掉最大值和最小值求平均值等方法，確保數據傳輸的正確性，降低誤碼率的發生。設計結構簡單、組網容易，通過GSM網絡傳輸信息，實現遠程監控和管理，可廣泛應用于街道、社區以及景區等地方。