基于窄帶物聯網的垃圾溯源系統設計

李金倫,梁紅波,羅明璋 (長江大學電子信息學院,湖北 荊州434023)

謝小東 (中國石油長慶油田分公司物資供應處，陜西 咸陽 745000)

隨著人類社會的發展和生產力的進步，人們的物質生活得到了極大的豐富，但隨之而來的社會問題也日益凸顯，垃圾處理問題便是其中之一。以生活小區為例，其產生的垃圾量大，種類也較為繁雜，有可回收的金屬、塑料、玻璃、紙張，有不可回收的廚余垃圾以及有毒有害廢物(如一次性電池，節能燈管)，甚至還有建筑垃圾[1,2]。為了增強居民垃圾分類的意識、提高可回收垃圾的利用效率、減少垃圾處理帶來的環境污染以及方便統一管理，必須要在源頭上解決垃圾分類難的問題[3]。為此，筆者結合二維碼以及窄帶物聯網技術，設計了一種具有掃碼開門、語音播報、垃圾自動稱重、數據實時上傳和安全防護裝置等功能的智能垃圾溯源系統。該系統不僅可以追蹤記錄每家每戶的垃圾投放行為及相關數據信息，而且可以通過大數據分析實現垃圾清運分類化、精準化，提高工作效率和節約人力物力，同時通過積分兌獎等措施對投放可回收垃圾重量較多的用戶給予獎勵，以此來提高居民垃圾分類的意識[4]。

1 系統整體架構

系統整體結構示意圖如圖1所示，包含若干個智能垃圾箱、控制終端、通信模塊、云端服務器以及用戶終端設備。云端服務器為居民使用的垃圾袋進行編碼[5～7]，生成并制作4種不同顏色的垃圾分類二維碼和垃圾袋，分別對應可回收垃圾(綠色)、廚余垃圾(藍色)、有害垃圾(紅色)和其他垃圾(灰色)。每一個垃圾袋都貼有唯一二維碼，該二維碼與用戶身份信息相對應[8]。居民在進行垃圾投放時，只需識別垃圾袋上的分類二維碼即可自動打開對應的垃圾箱，做到精確投放。系統可通過垃圾袋上的二維碼信息做到快速溯源，準確追蹤到垃圾投放者。

垃圾箱內部嵌有稱重傳感器、溫度傳感器以及測距傳感器[9～11]，可以實時監測箱內的相關狀態并在狀態異常時自動觸發報警機制；箱內還安裝有減速電機及液壓桿，用于控制垃圾箱門的自動開啟及關閉。

控制終端是整個垃圾分類系統的核心，主要作用是獲取用戶的二維碼信息，語音播報，驅動箱門的開關，采集并處理傳感器數據，控制通信模塊與云服務器進行數據交互[12～14]。通信模塊的主要功能是將控制終端處理后的數據上傳至云服務器并接收云服務器的下行數據，實現智能垃圾箱與互聯網的連接[15]。用戶可以通過手機、電腦、平板等終端設備登錄系統，實時查看相關數據。

2 系統硬件設計

系統硬件功能框圖如圖2所示，以MCU為控制終端核心，外接二維碼掃描器、語音模塊、通信模塊、傳感器模塊、自動報警模塊及執行機構(減速電機、液壓桿和電磁鎖)。云端為阿里云服務器，用于與通信模塊進行數據交互。無線通信模式采用面向連接型的TCP協議，數據傳輸穩定可靠。

該系統主要分為3層：感知層、控制層和傳輸層。感知層主要通過二維碼掃描器、傳感器模塊采集相關數據；控制層通過控制終端處理感知層數據并驅動語音模塊和相應的執行機構；傳輸層利用通信模塊將數據上傳并接收云端的下行數據，實現控制層與云平臺的互聯。

2.1 感知層實現

感知層中的設備主要為二維碼掃描器、稱重傳感器、溫度傳感器和測距傳感器。

二維碼掃描器的作用是獲取垃圾袋上的二維碼信息。二維碼由系統服務器統一生成，與用戶身份相綁定。

稱重傳感器采用專用的24位AD轉換芯片HX711，利用電阻應變效應將力學量轉換為電信號。用戶每一次投放垃圾后，稱重傳感器都會計算出垃圾的凈重，用于后期的積分兌換依據。

溫度傳感器的作用是感知并獲取智能垃圾箱內的溫度信息，是垃圾分類系統的安全檢測模塊之一。當箱內溫度超過設定閾值時，向管理人員發出安全警告，用于及時發現垃圾箱內諸如煙頭等引發的火災。

測距傳感器是為了監測垃圾箱剩余容量大小，使用超聲波測量垃圾距離頂部的距離，當距離小于一定值時認為垃圾箱已滿，對應垃圾箱的警示燈亮起，并通過傳輸模塊將狀態信息發送至云端。

2.2 控制層實現

控制層中的MCU采用STM32F103系列芯片，該芯片使用3.3V電源供電，Cortex-M3內核，CPU最高速度達到72MHz，具有豐富的外設資源。芯片具有功能強大、運行效率高、集成度高、價格低廉且相對穩定等優點，專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式系統設計。在該系統中，控制層主要通過MCU對二維碼掃描器和傳感器采集的數據進行接收與處理、驅動語音播報模塊、控制箱門的開關以及對傳輸模塊進行初始化設置和數據交互。

2.3 傳輸層實現

傳輸層使用的通信模塊是基于NB-IoT技術的BC26模塊。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)的窄帶物聯網市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術，具有覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構優等特點。NB-IoT使用License頻段，與現有網絡共存，故易于部署，NB-IoT主要由用戶設備終端、NB-IoT 基站、核心網、物聯網云平臺和行業應用設備組成。用戶設備終端通過安裝相應 SIM 卡的方式接入 NB-IoT 網絡，并實現與運營商所部署的NB-IoT 基站之間信息收發，并進一步經過核心網實現基站與物聯網云平臺的連接，物聯網云平臺完成各類業務的運算與處理，所得到的結果可反饋到用戶設備終端，也可使用行業應用設備讀取。

系統采用的BC26是一款高性能、低功耗的NB-IoT系列模塊，基于聯發科MT2625芯片平臺研發，支持全球頻段。通過NB-IoT無線電通信協議(3GPP Rel.13 和 3GPP Rel.14)，BC26模塊可與網絡運營商的基礎設備建立 2.4GHz 的通信網絡。BC26模塊通過串口與控制層的MCU連接，由一系列的AT指令進行初始化和數據交互。

3 系統軟件設計

該系統將物聯網技術應用于垃圾溯源領域，用戶在系統服務器后臺注冊成功后，可進行垃圾分類的在線指導、垃圾袋的申領。用戶將廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾以及可回收垃圾裝入垃圾袋中并貼上不同顏色的垃圾分類二維碼標簽，然后使用該二維碼接觸掃碼器，掃碼器讀取二維碼中的信息并通過串口發送給MCU，MCU收到后通過BC26模組以無線傳輸的方式將數據上傳至云端。云端服務器接收到數據后進行解析，如果二維碼中的用戶信息在該系統的Web端注冊過，服務器下發應答包給MCU，MCU收到后通過語音播報提醒用戶按鍵選擇不同類型的垃圾箱，并驅動執行機構打開箱門，使用戶可以投放垃圾，一段時間后箱門自動關閉。垃圾箱底部的稱重傳感器稱量垃圾重量后通過BC26模組將用戶選擇的垃圾箱類型編號和垃圾重量上傳至云端保存并顯示。系統的程序流程圖如圖3所示。

4 系統技術特點

1)結合“互聯網+”技術，通過將垃圾袋上的二維碼與用戶信息綁定，能夠做到有效溯源，精準定位。

2)語音播報及自動開關門裝置使垃圾投放更加自動化與便捷，方便各個年齡段的用戶使用。

3)在垃圾箱內嵌入溫度傳感器，能夠實時監測垃圾箱內的溫度信息，防止意外產生。

4)利用稱重傳感器記錄每一次投放的垃圾重量并實現滿載報警功能，這樣既方便系統統計數據，又可以提高垃圾車的運輸效率。

5)在Web端，工作人員可以對垃圾回收數據進行總結與分析，精確追蹤到每一袋垃圾是哪一位用戶投放并獲取投放的垃圾重量。系統通過可回收垃圾的重量計算出相應積分返還給用戶，用戶可通過積分兌獎，以此提高用戶進行垃圾分類的積極性。對于未能正確投放垃圾的用戶，系統可通過短信等方式給予一定的提醒。同時，對于投放正確度高的用戶，系統將進行積分排名并進行額外獎勵。逐步建立完善的環保積分體系，引導居民建立垃圾分類習慣。

5 結語

垃圾智能化處理是垃圾管理未來的發展趨勢，該系統利用二維碼和窄帶物聯網技術進行垃圾溯源，通過有償的方式鼓勵市民正確分類投放垃圾，將可回收垃圾回收再利用，實現了多站點集中管理、數據可視化、數據統計與分析一體的智能垃圾溯源管理系統。系統設計符合國家綠色可持續發展的戰略要求，有著廣闊的應用市場，具有一定的經濟效益和社會效應。