基于射頻技術的智能清潔管理系統研究

馬國玉，江 冰，李光云，薛曉清

(1.河海大學物聯網工程學院，常州213022;2.常州市傳感網與環境感知重點實驗室，常州213022)

1 引言

隨著城市現代化建設進程的加快，城市每年產生的垃圾也迅速增長。為了便于垃圾收集而主要采用垃圾桶收集的方式，其數量多而且分布廣，特別是在一些人流量大、繁華的商業街，垃圾桶放置得更密集，且每個垃圾桶的垃圾量也更大。如果不進行及時清理，造成垃圾堆積，將對周圍環境造成嚴重污染和破壞［1］，甚至可能造成二次污染［2］。目前清潔工通過對垃圾桶逐個進行巡視、清理，需要大量的人力和物力。雖有文獻提出智能垃圾桶設計，但沒有及時通知清潔工垃圾桶的使用狀況，出現清潔工無效勞動的問題，影響城市環境管理效率。在我國，RFID技術在工廠生產、鐵路運營、倉儲物流、貴重品貿易、身份識別等領域得到長足發展，但在城市環境管理領域卻沒有得到很好的應用。因此智能檢測垃圾桶并通過RFID技術對清潔工的出勤情況進行管理是十分必要的。

針對以上問題，本系統旨在通過采用超聲波傳感器對垃圾桶進行檢測，當超聲波檢測到垃圾與垃圾桶蓋的距離小于20cm時，短信通知對應的清潔工，清潔工佩戴自己的電子標簽去工作時，固定在馬路旁邊樹上的閱讀器會采集到標簽信息，通過3G網絡發送到監控中心。從而提高了清潔工的工作效率，也方便清潔工的管理工作。

2 系統總體結構

2.1 系統體系結構

本系統采用計算機系統中常見的C/S(Client/Server)體系結構。C/S結構具有交互性強、提供數據和服務的無縫集成、提供高性能的業務處理以及更安全的存取模式等優點。本系統自下而上可分為感知層、網絡層、數據層、應用層。系統的體系結構圖如圖1所示。

圖1 系統體系結構圖

2.2 系統功能

超聲波傳感器安裝在垃圾桶上方蓋子的內側，通過監測垃圾桶里垃圾到垃圾桶蓋的距離來判斷清潔工是否需要打掃。當距離小于20cm時，將信息發送到匯聚節點，再由匯聚節點通過3G網絡發送到監控中心的服務器上，服務器將接收的信息存在數據庫中。服務器內設一個短信服務，該短信服務是一個Windows服務，可以增加安裝、卸載、啟動、暫停。服務器讀取數據庫的數據，進行分析，通過GSM短信貓，向對應的清潔工發送短信。收到短信的清潔工胸前佩戴一個內置電子標簽的工號牌，每一個電子標簽具有唯一的ID號作為認證標識。在清潔工清理的街道，根據需要在路邊適當布置電子標簽閱讀器，對每個閱讀器設置編號并記錄不同編號的閱讀器放置地點。當攜帶電子標簽的清潔工經過閱讀器監控范圍時，CPU控制閱讀器通過無線方式讀入電子標簽中的相應數據，并通過串口發送到3G模塊，3G模塊再將數據發送到監控中心，從而實現記錄下清潔工每天出勤次數、地點、時間等信息功能。

3 系統核心模塊設計

系統的各功能模塊工作流程框圖如圖2所示。核心模塊是傳感器模塊、射頻模塊和3G通信模塊。

圖2 系統模塊工作框圖

3.1 傳感器模塊設計

超聲波傳感器HC－SR04的基本原理采用IO口TRIG觸發測距，給至少10μs的高電平信號;模塊自動發送8個40KHz的方波，自動檢測是否有信號返回;若有信號返回，通過IO口ECHO引腳輸出一個高電平，高電平持續的時間t為超聲波從發射到返回的時間。

測試距離S如式(1)所示:

V聲即聲音在空氣中傳播的速度，為340m/s。本模塊使用方法簡單，一個控制口發一個10μs以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一旦有輸出就可以開定時器計時，當接收口變為低電平時就可以讀定時器的值，根據此次測距的時間，方可算出距離。如此不斷的循環測量，即可以獲得需要測量的值。傳感器處理芯片選用美國 TI公司CC2530 芯片［3］，它集成了8051 單片機內核［4］，是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗。

超聲波采集數據先發送到CC2530終端節點，然后發送給CC2530協調器。傳感器與CC2530芯片引腳設計如圖3所示。

3.2 射頻模塊設計

射頻模塊為閱讀器和標簽。閱讀器選用核心芯片CC1101和ARM芯片LPC2366.外圍電路主要包括指示燈電路、聲音提示電路、電源供電電路、串口通信電路等。閱讀器模塊框圖如圖4所示。

RFID讀寫器核心設計思路為:射頻收發模塊，即以CC1101為核心的硬件電路，主要完成與電子標簽及主控模塊ARM芯片 LPC2366之間的通信;與有源電子標簽采用無線鏈路連接，通信媒介為天線。主控模塊，即以ARMLPC2366為核心芯片的硬件電路，LPC2366通過串口通信接收RFID標簽數據，另一端采用RS232串口通信，將數據以傳輸速率為9600b/s發送給3G模塊，通過3G無線網絡將標簽數據發送到終端計算機。

標簽選擇有源標簽，有源標簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源。有源標簽這一特點使得有源RFID具有發射功率低、通信距離長、傳輸數據量大、可靠性高和兼容性好等優點。本系統通信距離可達全方位80米，工作頻率為超高頻433MHz，繞射性好，可同時讀取多個標簽。

圖3 傳感器模塊電路設計

3.3 3G通信模塊設計

通信模塊選用3G無線傳輸方式，3G通信模塊是本地控制器接入3G移動網絡的接口，也是實現本地控制器與監控中心無線雙向通信的關鍵部件，3G無線傳輸方式與傳統的有線方式相比，具有很好的抗干擾性能，以較低的功率、較高的帶寬發送數據，數據傳輸速率快等特點。相對2.5G(GPRS/CDMA1x)100k左右的速度，3G傳輸速度能夠達到300k － 1M 左右［5］。CDMA2000、WCDMA 和 TD—SCDMA被認為是3G的三大主流標準。系統采用阿達爾公司的高性能工業級CDMA2000標準的3G無線模塊，高性能的32位嵌入式處理器，內嵌完備的TCP/IP協議棧，同時提供1個10/100M自適應RS232串口。

4 系統軟件設計

在清潔工管理系統中，通過3G模塊傳輸的垃圾桶上的傳感器數據和清潔工的射頻標簽信息，由上位機PC端匯總后，需要一個遠程監控管理系統對這些數據進行處理分析。本系統監控中心選用Visual studio 2008作為開發平臺，以Microsoft office Access2007作為數據庫開發平臺，采用C#語言開發一個無線接收數據并進行處理的清潔工智能管理系統。本系統的工作流程如圖5所示。

圖5 系統工作流程圖

4.1 3G模塊與服務器端的通信

基于Socket實現了3G無線接收垃圾桶信息及清潔工工作信息。Socket是網絡通信的基本構件，提供了不同主機間進程雙向通信的端點，其接口可實現應用程序與TCP/IP協議的交互。套接字之間的連接過程可以分為三個步驟:服務器監聽，客戶端請求、連接確認。

部分核心程序如下:

ServerInfo=new IPEndPoint(IPAddress.Parse(this.textBox1.Text)，Convert.ToInt32(this.text-Box2.Text));

ServerSocket=new Socket(AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp);ServerSocket.Bind(ServerInfo);

ServerSocket.Listen(50);

4.2 系統數據庫設計實現

系統采用了集中式中央數據庫模型，使所有清潔工、垃圾桶的信息都儲存在1個中央數據庫服務器上。Web服務器和3G應用服務器均使用數據訪問應用編程接口ADO.NET實現與數據庫的連接。

系統將清潔工的工作信息存入歷史工作記錄中，數據庫對此記錄進行自動處理。當同一名清潔工在一小時內出現次數超過2次時，數據庫自動刪除此人多余的工作記錄，這樣既能避免數據庫的數據冗余，又能記錄每位清潔工的工作情況，方便查詢。

4.3 實驗結果與分析

選用筆者所在地區某街道的2個空垃圾箱作為實驗垃圾箱，分別記為1號、2號。垃圾箱將要滿時，監控中心立即收到信息，1號垃圾箱垃圾到蓋頂距離是14.32cm，監控中心調用數據庫，給負責1號垃圾箱的清潔工張三發短消息。張三接到信息后立即前去清理，監控中心顯示兩分鐘內接收到張三在1號垃圾箱所在的街道工作。監控中心接收數據如下圖6所示。

圖6 監控中心接收數據

實驗表明，此系統精確度高，在收到垃圾箱將滿信息的五分鐘之內，清潔工能及時對垃圾箱進行處理。不僅有效保護城市衛生，同時避免了清潔工的無效勞動，也方便了管理人員對清潔工工作的監督管理。

5 結束語

本系統采用傳感器技術、RFID技術、3G無線通信技術實現了垃圾桶的自動檢測，對清潔工的出勤情況自動管理，減少了清潔工的無效勞動，提高了工作效率。該系統的特點是對每個垃圾桶和清潔工添加唯一的身份識別，并加以分類整合，形成井然有序的城市大網，從而對環境工作實現精細化管理。該系統不僅提高了城市環境管理工作的效率，而且能夠服務于廣大人民群眾。

本系統具備結構簡單、成本低、智能化和精確度高等特點，系統設計滿足了經濟性和技術性雙重要求，具有較好的推廣使用價值。

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