基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統設計

王磊

（新疆農業大學計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統設計

王磊

（新疆農業大學計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

針對城市中垃圾箱滿溢后導致垃圾大量堆積及二次污染等問題，設計了一種基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統，用于實時監測垃圾箱滿溢狀態。該系統利用垃圾對紅外線光束是否遮擋在光電傳感器產生電平變化的原理檢測垃圾滿溢狀態，并通過MCU驅動GPRS模塊自動向指定人員發送垃圾箱是否滿溢的相關短信，通知相關人員及時清運垃圾。實驗結果和現場應用效果表明，該系統能準確檢測垃圾滿溢狀態，報警信息發送及時，極大地提高了垃圾清運工作效率，有效地解決了垃圾堆積造成的二次污染等問題，對智能城市建設有重要意義。

GPRS單片機智能垃圾箱垃圾滿溢報警

1　引言

隨著社會的不斷發展和進步以及國內城鎮化建設的不斷推進，城市中日常生活垃圾與日俱增。據統計，2012年我國城市中垃圾清運量達到1.71億噸，并以每年10%的速度遞增[1]。如何合理有效地安排垃圾的清運與處理是改善城市居民生活的關鍵，傳統的垃圾回收和轉運都是依靠相關人員的經驗或者使用查詢的方式逐個對垃圾箱進行檢查及處理，這樣不僅耗時耗力，而且效率較低[2-3]。針對以上問題，本文設計通過檢測垃圾箱的物位并在垃圾箱滿溢的時候實時向工作人員的手機發送一條短信，通知哪些垃圾箱需要清運，從而為垃圾清運的決策和規劃提供有力的數據支撐，最終使得垃圾清運工作能夠科學高效地運行。

2　系統結構及工作原理

本系統采用STC15F2K16S2單片機作為控制核心，使用6組 對射式紅外光電傳感器作為檢測垃圾物位的傳感元件，垃圾箱的物位信息最終是通過GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業務）模塊短信的形式發送給用戶的手機。為了方便系統狀態指示和參數設置，系統還包含紅外解碼電路以及LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示）部分。由于GPRS模塊的供電要求較為苛刻，因此系統的供電采用DC-DC模塊。

系統的結構框圖如圖1所示，當傳感器的光束被滿溢的垃圾阻擋時，傳感器的信號會立即被單片機捕獲到。單片機對傳感器的信號處理后，會驅動GPRS模塊向預先設置好的手機發送一條垃圾滿溢的短信，提醒清運人員對該垃圾箱進行處理。系統的一切參數的查詢和設置都是通過操作紅外遙控器和LCD顯示屏來完成的，該方法較市面的產品具有界面友好、容易操作等優點。

圖1　垃圾滿溢報警系統結構框圖

3　垃圾滿溢狀態監測

本系統使用相互垂直的6組紅外光束檢測垃圾箱內的物位狀態，傳感器分布如圖2所示。傳感器緊貼垃圾箱投放口安裝，如圖2（a）所示，當垃圾的高度超過傳感器射線高度時，紅外光束被遮擋傳感器輸出高電平，反之傳感器輸出低電平。為了防止異形垃圾遮擋紅外光束導致垃圾滿溢誤判，本系統采用圖2（b）中的交叉布局，當6組傳感器同時被遮擋時，控制器判定為垃圾箱滿溢，這樣有效地提高了垃圾滿溢報警的正確率。

以上垃圾滿溢監測方法僅適用于“船型”垃圾箱。實驗證明該方法對“船型”垃圾箱的滿溢狀態有較高的識別率，具有安裝方便、價格便宜等優點，基本滿足現場需求。

圖2　垃圾滿溢檢測示意圖

4　GPRS短信通信

GPRS是由全球移動通信系統（GSM）發展而來的無線數據業務，具有通信范圍覆蓋廣、數據傳輸速率高、運營低成本等優點。其中GPRS網絡的短信業務實現簡單、用戶易學易用，因此本系統采用短信指示垃圾滿溢狀態及時通知清運人員對垃圾箱進行處理[4]。

本系統的GPRS模塊使用有方科技（Neoway）的M590實現，模塊實物如圖3所示。

圖3　有方科技M590 GPRS模塊實物圖

該模塊具有性能穩定、價格低廉等優點，滿足本系統的通信需求。M590模塊與MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）或者PC（Personal Computer，個人計算機）之間鏈接和通信通過AT指令控制，通過AT指令可實現對模塊的參數設置、短信的自動發送等功能。本系統用到的AT指令如表1所示。

由于GPRS模塊與PC或單片機通過UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發傳輸器）進行通訊，因此在使用前首先要確保通信雙方的波特率是相同的，否則無法完成通信，若不一致可使用“AT+IPR=X”命令設置GPRS模塊的波特率為X。為了減少回顯帶來的通信量，可使用ATE0關閉GPRS模塊的回顯功能。本系統使用中文短信向用戶發送垃圾滿溢報警信息，因此要使用“AT+CMGF=0”命令將模塊設置成PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元）模式，同時使用“AT+CMGS=n”命令指定目標手機的號碼、短信中心號碼以及短信內容的Unicode碼等參數，最后必須向模塊發送0x1A控制字符啟動短信的發送[5-6]。這樣報警信息就會自動發送到清運人員的手機上，并指示當前垃圾箱的狀態。

表1　常用AT指令表

5　系統硬件設計

系統的微控制器采用宏晶科技的STC15F2K16S2單片機，此款單片機采用增強型51內核，外設豐富且成本低廉。垃圾物位感知使用對射式紅外傳感器，其有效感知距離可達5m，輸出信號為繼電器通斷信號方便電路設計。GPRS通信模塊使用有方科技的E590模塊，通過UART與微控制器鏈接。液晶顯示模塊使用Nokia 5110模塊，該模塊具有84×48個點陣，滿足系統應用需求。為了保證系統的性能，電源部分采用LM2956 DC-DC電源模塊。

系統硬件使用2層板的布線方式，元件大多采用SMD（Surface Mounted Devices，表面貼裝器件）貼片封裝以減少PCB板的體積。由于本系統涉及射頻部分電路，在PCB布局布線時將射頻部分和數字電路部分進行了隔離處理，以增強系統的電磁兼容性。系統控制器主板PCB圖如圖4所示。

圖4　垃圾滿溢報警系統控制器主板PCB圖

圖5　垃圾滿溢報警系統程序流程圖

6　系統軟件設計

由于本系統的實時性要求較高，而程序任務量較少，因此考慮使用中斷結合大循環的程序架構。這樣不僅可以提高開發效率，又能保證系統的健壯性。

系統的程序流程圖如圖5所示，單片機上電后首先對LCD、Timer、外部中斷、UART以及GPRS模塊進行了初始化，使得系統的外設都工作在特定模式。在對外設初始化后，程序進入while(1)循環并始終執行該循環體內的用戶邏輯代碼。外部中斷與定時器中斷結合，用于測量紅外遙控信號的脈寬，實現對紅外遙控信號的軟件解碼。UART對應的TXD和RXD與GPRS對應的引腳鏈接，通過AT指令控制GPRS模塊發送垃圾箱滿溢狀態。

下面介紹本系統的紅外遙控的軟件解碼和GPRS模塊短信發送的設計思路及實現過程。

（1）紅外遙控解碼

由于紅外遙控具有低成本、低功耗、高可靠等特點，已經在生活和工業的各個方面得到了廣泛的應用。本設計采用的遙控使用uPD6121G作為編碼芯片，調制方式采用脈寬調制，使用正脈寬為0.565ms、周期為1.125ms的方波作為邏輯0，而正脈寬為0.565ms、周期為2.25ms的方波作為邏輯1，調制波形如圖6所示。表示鍵值的二進制串由32個位組成，通過38kHz載波進行二次調制以提高發射效率。

圖6　紅外遙控脈寬調制波形

每個鍵值對應的二進制數據幀都由引導碼、用戶識別碼、用戶識別反碼、鍵值碼、鍵值反碼組成。通過使用外部中斷檢測正脈寬的邊沿并結合Timer定時器，可以測量每個二進制碼對應的脈寬和周期，并結合通信幀格式提取鍵值。

（2）GPRS模塊短信發送

由于本系統使用中文短信指示垃圾滿溢狀態，因此GPRS模塊應通過“AT+CMGF=0”命令設置為PDU模式，短信的目標手機號碼、短信中心號碼、短信長度以及短信內容等信息通過“AT+CMGS”命令進行設置。此外，在PDU模式下中文短信內容必須轉化成對應的Unicode碼，否則不能被手機正確接收并解析。例如：在使用“AT+CMGS”設置完短信長度后，向GPRS模塊發送“0891683108501905F011000B818161 809017F60008A712519C59274E1C8DEF0032003053F 76EE16EA2”，表示向18160809716的號碼發送短信內容為“農大東路20號滿溢”的短信。當短信內容填充到GPRS模塊后，必須通過串口發送一個十六進制的控制字符“0x1A”來啟動短息的發送，當GPRS模塊向MCU回復“+CMGS:xx”后，表明短信已發送成功。

7　結論

本文介紹了一種基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統的設計，實現了對垃圾箱滿溢狀態的實時監控，解決了垃圾回收不及時造成的城市環境二次污染等問題。通過在烏魯木齊市新市區40套及沙依巴克區25套滿溢報警系統的應用效果表明，本系統性能穩定可靠，極大地方便了垃圾回收人員對轄區內垃圾箱滿溢狀態的掌握，這會給城市垃圾清運工作帶來便捷，加快文明環保的城市建設進程。

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[3] 王艾榮,陳剛,于麗娜,等. 淺析城市生活垃圾處理現狀與資源化對策[J]. 廣東化工, 2010,37(7): 227-229.

[4] 陳新偉,王俊,沈睿謙. 基于GPRS的遠程檢測無線電子鼻系統[J]. 農業機械學報, 2015(4).

[5] 陳琦,丁天懷,李成,等. 基于GPRS/GSM的低功耗無線遠程測控終端設計[J]. 清華大學學報: 自然科學版, 2009(2): 223-225.

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[9] 李迎春,張佑生. GSM短消息在無線數據采集與監控中的應用[J]. 計算機工程與應用, 2004(3): 213-215.

[10] 王建蘭,張延龍. 利用短信實現自動轉報系統故障報警的技術[J]. 航空維修與工程, 2009(2): 54-55.★

王磊：工學碩士畢業于西安科技大學，現任新疆農業大學計算機與信息工程學院助教，從事教學與科研工作，主要研究方向為智能控制及物聯網。

Design of GPRS-Based Spill-over Warning System of Intelligent Garbage Can

WANG Lei
(Institute of Computer & Information Engineering of Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

In view of the problems of garbage accumulation and secondary pollution after garbage can overfl owing, a GPRS-based spill-over warning system of intelligent garbage can was designed to monitor the state of garbage can in real time. It uses IR-photoelectric sensor as the garbage detection element and uses GPRS module to send massage and indicate whether the can is spill over or not through MCU, so as to notify the relevant personnel to remove garbage timely. Experiment and application results show that this system can detect the state of overflowing accurately and send massage in time, greatly improve the working effi ciency of garbage removal and solve the problem of secondary pollution. The system has signifi cance to construction of smart city.

GPRSMCUintelligent garbage cangarbage spill-over alarm

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.16.016

TP29

A

1006-1010(2015)16-0082-04

2015-07-27

責任編輯：袁婷yuanting@mbcom.cn

引用格式：王磊. 基于GPRS的智能垃圾滿溢報警系統設計[J]. 移動通信, 2015,39(16): 82-85.