基于NB-IoT的一種智能環衛裝置的設計與實現

葉秀斌 潘依郎 魏經緯 劉慧湟 汪藝璇

摘 要：隨著公共場所衛生設施的改進與公共用紙的普及，為避免免費用紙的浪費，方便環衛工人的日常管理，基于NB-IoT技術設計了一種智能環衛裝置。采用STC89C52單片機控制電機，結合多種傳感器，實現感應出紙、自動烘干、終端監測等功能，解決了智能管理與環保衛生等實際問題，保證了公共場所免費供紙與環境衛生的有效管理。

關鍵詞：NB-IoT;環衛裝置;42步進電機;傳感器;公共場所;人工智能

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術的發展，智慧城市建設成為未來的發展趨勢，公共環衛設施作為智慧城市的一部分，需要逐步實現信息化、智能化。目前，日益普及的公共環衛裝置功能單一，無法實現智能管理及便捷使用，還存在用紙浪費，紙質衛生得不到保障等缺陷。本文基于NB-IoT技術，設計了一款具有自動出紙，帶干燥功能的智能節能公共環衛裝置，便于后勤管理，避免用紙浪費、用戶缺紙及紙質受潮等問題，符合當今社會提倡的節能環保需求。

1 基于NB-loT技術的設計思路

1.1 NB-IoT技術應用

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）即基于蜂窩的窄帶物聯網，是5G時代的三大標準之一，主要面向物聯網場景，以其容量低、覆蓋廣、成本低和功耗低等優點在智慧城市建設中扮演著重要角色。NB-IoT應用場景如圖1所示。

NB-IoT通信技術解決了監測覆蓋及數據傳輸等問題。將其作為智能環衛裝置監控系統的技術支撐，具有部署靈活、低功耗、廣覆蓋、大連接及低成本五大優勢，是目前物聯網連接技術的前沿[1]。

1.2 系統技術指標

智能環衛裝置以單片機STC89C52為控制中樞，由超聲波測距模塊、數字溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、遠紅外線電熱膜模塊、液晶顯示觸摸模塊、NB-IoT通信模塊、步進電機、驅動電路及電源模塊組成，系統設計框圖如圖2所示[2]。

根據以上系統框圖，要求實現以下功能[3]：

（1）單片機控制步進電機轉動出紙;

（2）超聲波傳感器監測用紙情況;

（3）人體紅外傳感器感應自動出紙;

（4）數字溫濕度傳感器檢測紙盒內部溫濕度，判斷衛生用紙是否干燥;

（5）紅外電熱膜根據濕度適時烘干潮濕紙張;

（6）NB-IoT通信模塊實時傳輸裝置將紙張使用，溫濕度等情況傳輸至手機終端。

2 智能環衛裝置設計

2.1 裝置結構

本文設計的智能環衛裝置結構如圖3所示，盒體為長方體塑料材質。前后蓋板中心由滾軸連接，并與步進電機相連，由單片機控制出紙長度[4];盒體頂部裝置檢測卷紙厚度的超聲波傳感器;底部鋸齒狀出紙口處利用人體紅外傳感器感應出紙;左側面安裝數字溫濕度傳感器檢測紙盒內部環境，在潮濕或低溫時由裝置底部的紅外熱膜烘干紙張;右側放置電路板與顯示裝置狀態的液晶顯示模塊，并具有3個獨立按鍵進行設置出紙長度、裝置復位等功能;電路板包含NB-IoT通信模塊，進行數據傳輸及更新，可發送卷紙狀態、空氣溫濕度、機器運行情況等信息至手機終端[4]。

2.2 模塊設計原理

2.2.1 旋轉部件

本設計選用兩相四線混合式的42步進電機作為裝置的旋轉部件，其扭矩為0.46 N·m，細分3 200步/轉，采用L298N芯片驅動，實現出紙動作。為防止步進電機通過回路干擾單片機，對步進電機采用獨立供電[4-5]。根據人為設置出紙長度m，控制電機旋轉轉數。其中：h為盒體高度;d為超聲波測距傳感器測量值。

2.2.2 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊主要作用是實時檢測卷紙剩余量。本設計采用US-100超聲波測距傳感器，通過在單片機TX管腳輸入0X55（波特率9 600 b/s），系統可發出8個40 kHz的超聲波脈沖檢測回波信號。當檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，并根據當前溫度對測距結果進行校正，將校正后的結果通過RX管腳輸出[6]。輸出的距離值共兩個字節，第一個字節是距離的高8位（HData），第二個字節為距離的低8位（LData），則距離值為d=HDxta×256+LDats（單位：mm）。卷紙剩余量可由卷紙厚度m體現，即m=h/2-d-r，其中，h為盒體高度，r為卷紙卷棒半徑，卷紙與盒體規格如圖4所示。

2.2.3 數字溫濕度模塊

數字溫濕度模塊主要是檢測裝置內部空氣溫濕度并依此判斷紙張是否受潮。此模塊為DHT11數字溫濕度傳感器，采用單線制串行接口，直接與單片機的I/O口相連[7]。采用單總線數據格式。其數據包由5 Byte（40 bit）組成，分小數部分和整數部分，高位先出，數據格式為8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗和。

校驗和數據為前4個字節相加，傳感器數據輸出的是未編碼的二進制數據，數據（濕度、溫度、整數、小數）之間分開處理[7]。讀取傳感器某次數據見表1所列。

2.2.4 NB-IoT通信模塊

本設計使用NB-IoT通信模塊進行數據傳輸，將環衛裝置狀態監控系統架構分為前端、傳輸網絡和云平臺三個部分。前端由N個安裝在各公共場所的智能環衛裝置的數據采集節點組成，負責采集裝置內部的溫度、濕度、卷紙厚度等信息，并按照時間點在線實時或離線發送。傳輸網絡使用NB-IoT技術，將物聯網卡連接至移動網絡，基于云服務的CoAP協議，將數據傳輸至云平臺，由智慧環衛信息處理系統處理后發送短信至手機進行實時監控。NB-IoT網絡結構如圖5所示。

3 程序設計與測試結果

3.1 程序設計

本設計通過C語言編程控制單片機STC89C52內部的控制電路以及I/O接口，來實現各個功能模塊。程序主要包括初始化LCD、DHT11數字溫濕度模塊函數、超聲波傳感器US-100模塊函數、NB-IoT傳輸函數、HC-SR501人體紅外感應模塊函數、旋轉硬件函數及按鍵掃描函數[9-10]。根據主程序流程調用以上各函數控制裝置，如圖6所示。

當HC-SR501人體紅外感應模塊檢測到人手接近，則驅動步進電機出紙。設計三個獨立按鍵用于設置出紙量，分別為復位、增紙量及減紙量。通過按鍵掃描檢測是否按下鍵位及按下哪個鍵位。

通過DHT11數字溫濕度模塊檢測溫濕度，設置濕度閥值啟動熱膜，并設置達到溫度閥值關閉熱膜，實時控制遠紅外電熱膜加熱開關保證衛生卷紙衛生質量。

3.2 測試結果

根據衛生紙的干濕及紅外熱膜狀態對比得出一組最合適的溫濕度閥值。當檢測濕度超過設定值75%RH時，啟動紅外熱膜進行加熱，直至溫度超過閾值50℃時關閉紅外熱膜[11-12]。溫濕度閾值測試數據見表2所列。

當超聲波傳感器US-100模塊檢測到剩余紙量m<1 cm，液晶顯示屏顯示缺紙狀態，并通過NB-IoT通信模塊發送短信通知管理人員換紙，短信截圖如圖7所示。

4 結 語

經過軟硬件聯調與測試，各模塊均可正常工作，并實現既定技術指標。但在功能上還有待完善之處，后期可設計用戶APP，增加二維碼支付購買紙張、GPS定位、呼叫幫助、氣味檢測等功能，也可作為家庭使用，成為智能家居的一部分。此智能環衛裝置作為智慧城市物聯網的一部分，可減少目前普遍存在的公共用紙浪費，有利于公共資源的有效管理。整個裝置成本低，實用性強，可向廣大家庭、公衛、學校、酒店等公共衛生區域推廣。

參 考 文 獻

[1]孫迪科.基于NB-IoT技術的油煙監控系統設計與實現[J].移動通信，2017，41（22）： 41-45.

[2]何燦隆，沈明霞，劉龍申，等.基于NB-IoT的溫室溫度智能調控系統設計與實現[J].華南農業大學學報，2018，39（2）：117-124.

[3]葉秀斌.一種衛生紙智能出紙裝置：ZL201621065154.X [P].2017-08-01.

[4]馬文斌，楊延竹，洪運.步進電機控制系統的設計及應用[J].電子技術應用，2015，41（11）：11-13.

[5]姜書政，王桂海.基于AT89S52單片機的電機控制系統設計[J].現代電子技術，2010，33（7）：138-140.

[6]蘭羽.具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計[J].電子測量技術，2013，36（2）：85-87.

[7]卜永波，羅小玲，陳一.基于DHT11傳感器的溫濕度采集系統[J].計算機與現代化，2013（11）：133-135.

[8]邵海龍，梁嵇暉.智能窗簾控制系統[J].微型機與應用，2017，36（4）：56-58.

[9]陳致遠，朱葉承，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統[J].電子技術應用，2012，38（9）：138-140.

[10]崔冰清，褚麗莉，杜仁鵬. 基于單片機和GSM的智能家居系統的設計[J].微型機與應用，2017，36（7）：50-52.

[11]高偉康.基于STM32的兩相四線步進電機高精度驅動器設計[D].淮南：安徽理工大學，2017.

[12]王明浩，吳韶波. 基于智慧城市建設的NB-IoT應用研究[J].物聯網技術，2017，7（7）：79-82.