基于NB-IoT的垃圾桶滿溢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

徐愛(ài)蘭 李良程 李翔宇 曹埔銘 朱晏民 楊雪薇

摘? 要：該文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)垃圾桶滿溢的節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)以MSP430F149單片機(jī)為核心控制單元，利用超聲波測(cè)距感應(yīng)器測(cè)量垃圾桶內(nèi)垃圾高度，當(dāng)檢測(cè)到垃圾量將滿時(shí)，控制單元發(fā)送告警信號(hào)，通過(guò)NB-IoT將告警信息傳送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，提醒環(huán)衛(wèi)工人收集處理垃圾。該系統(tǒng)具有功耗低、易于維護(hù)和管理等優(yōu)點(diǎn)，使得環(huán)衛(wèi)工作人員對(duì)分散四處的垃圾桶管理更加方便有序，可顯著提高了管理效率。

關(guān)鍵詞：垃圾桶監(jiān)測(cè)? 單片機(jī)? 物聯(lián)網(wǎng)? 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：X705 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）08（b）-0004-03

Design of Dustbin Overflow Monitoring Node Based on NB-IoT

XU Ailan1? LI Liangcheng2*? LI Xiangyu2? CAO Puming2? ZHU Yanmin2? YANG Xuewei2

（1.Nantong Environmental Monitoring Center， Nantong， Jiangsu Province， 226006 China;2.School of Information Science and Technology of Nantong University， Nantong， Jiangsu Province， 226019 China）

Abstract： This paper designs a node for remote monitoring trash can to prevent its garbage overflow. This node takes MSP430F149 MCU as the core control unit， and uses ultrasonic distance measurement sensor to measure the height of garbage in the garbage can. When it detects that the garbage will be full， the control unit sends an alarm signal， and NB-IoT sends the alarm information to the remote server to remind sanitation workers to collect and process garbage. The system has the advantages of low power consumption， easy maintenance and management， etc.， making it more convenient and orderly for sanitation staff to manage the scattered trash cans， which can significantly improve the management efficiency.

Key Words： Garbage can monitor; Single chip microcomputer; Internet of things; Node design

隨著人們生活水平的提升，人們對(duì)環(huán)境的要求也日益提高。生活中公共場(chǎng)所隨處可見(jiàn)的垃圾桶，特別是街道兩側(cè)的垃圾桶，每天需要環(huán)衛(wèi)工人花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去管理和清理，這也是令環(huán)衛(wèi)管理者感到困擾的問(wèn)題。傳統(tǒng)的管理方法是讓環(huán)衛(wèi)工人每天定時(shí)來(lái)清理垃圾桶中的垃圾，這種工作方式的效率十分低下，不能夠及時(shí)對(duì)已經(jīng)滿溢出垃圾的垃圾桶進(jìn)行處理，一定程度上影響了市容[1]。該文針對(duì)這一問(wèn)題，提出一種遠(yuǎn)程垃圾桶滿溢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，可以對(duì)布設(shè)的垃圾桶滿溢程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)處理即將滿溢的垃圾桶，可以快速、準(zhǔn)確、高效地處理垃圾桶滿溢問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外在垃圾桶滿溢監(jiān)測(cè)的開(kāi)發(fā)方面都取得了一定進(jìn)展[2，3]，但這些設(shè)計(jì)多數(shù)主要針對(duì)個(gè)人或家庭使用場(chǎng)景，成本相對(duì)較高且功耗較大，測(cè)量精度有待提高，不便于區(qū)域乃至整個(gè)城市層面的大范圍布設(shè)。因此，該文借助NB-IoT將分散四處的垃圾桶連接到遠(yuǎn)端服務(wù)器，監(jiān)控垃圾桶的狀態(tài)。該設(shè)計(jì)將功能精簡(jiǎn)化，盡可能降低成本，減少功耗，意在可用于環(huán)衛(wèi)垃圾桶滿溢監(jiān)控和管理。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

如圖1所示，該系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波測(cè)距模塊、無(wú)線通信模塊、GPS模塊、供電模塊以及遠(yuǎn)端的服務(wù)器組成。該系統(tǒng)的主要工作原理為：?jiǎn)纹瑱C(jī)周期性的測(cè)試節(jié)點(diǎn)的位置信息與電池電壓信息，并利用超聲波測(cè)距傳感器周期性的掃描測(cè)距，并將距離數(shù)據(jù)通過(guò)串口送至單片機(jī);單片機(jī)根據(jù)收到的有效數(shù)據(jù)，檢測(cè)垃圾桶內(nèi)垃圾高度是否達(dá)到預(yù)設(shè)門限，若已達(dá)到預(yù)設(shè)門限，則通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送警告指令至遠(yuǎn)程中心服務(wù)器。環(huán)衛(wèi)中心則根據(jù)收到的告警信息和定位信息安排工作人員及時(shí)到達(dá)相應(yīng)位置清理垃圾。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

垃圾桶滿溢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件部分由MSP430F149單片機(jī)、JSN-SR04T超聲波距離傳感器、NB-IoT通信模塊BC-95、GPS模塊NEO-6M和二號(hào)干電池供電電源等模塊組成。

MSP430F149單片機(jī)是美國(guó)TI公司開(kāi)發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，其性價(jià)比和集成度極高，可在超低功耗模式下工作。在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境下，可在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載，開(kāi)發(fā)方便，代碼簡(jiǎn)單易讀。MSP430F149單片機(jī)通過(guò)串口分別與超聲波測(cè)距模塊以及定位模塊相連，利用SPI控制無(wú)線傳輸模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。

超聲波測(cè)距傳感器型號(hào)為JSN-SR04T，其測(cè)量距離范圍為20～600cm，精度可達(dá)2mm;同時(shí)功耗極低，最大程度提高了模塊的待機(jī)續(xù)航能力;防水防塵，完全適用于惡劣條件的工作環(huán)境。經(jīng)測(cè)試選用其第三模式，每隔5min進(jìn)行一次掃描，采集數(shù)據(jù)可直接通過(guò)串口傳至單片機(jī)，進(jìn)行后續(xù)處理。

無(wú)線通信模塊選用NB-IoT，即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近些年IoT領(lǐng)域新進(jìn)的一項(xiàng)技術(shù)[4，5]，相對(duì)GPRS技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于其功耗極低，由于引入了PSM低功耗模式，可使模塊保持在線情況下減少不必要的指令。設(shè)計(jì)選用的BC-95通信模塊相對(duì)于GPRS的SIM800C模塊可以延長(zhǎng)3倍電池使用壽命。在實(shí)際測(cè)試下，BC-95模塊功耗為μA級(jí)別，因此可以保持長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)狀態(tài)，節(jié)省指令。同時(shí)NB-IoT技術(shù)可靠性相對(duì)GPRS更高，由于使用獨(dú)立的180kHz，不占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬，可以保證數(shù)據(jù)回收率達(dá)99%。

GPS模塊NEO-6M，具有高靈敏度、低功耗、小型化、其極高追蹤靈敏度可擴(kuò)大其定位的覆蓋面，在普通GPS接收模塊不能定位的地方，如密集的叢林環(huán)境，NEO-6M都能高精度定位。為垃圾桶準(zhǔn)確定位跟蹤提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

供電模塊方面，擬選用ER26500鋰氬電池，其單節(jié)電池可提供3.7V，但由于其售價(jià)過(guò)高，也不方便用戶購(gòu)買更換，故沒(méi)有采用。太陽(yáng)能供電同樣被作為備選方案，但經(jīng)測(cè)算，即使每天可以保證8h日照，但每個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)需要配備約15cm×15cm的太陽(yáng)能光伏板，無(wú)論從成本、體積還是安裝等方面考慮都不合適，故沒(méi)有采用。最終，采用3節(jié)二號(hào)干電池供電的方案，3節(jié)干電池可提供4.5V電壓，提供的電量雖不及鋰氬電池，但依舊可以保證系統(tǒng)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)運(yùn)行，其最大的優(yōu)勢(shì)是成本低，易于更換。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

垃圾桶滿溢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示，（1）單片機(jī)初始化時(shí)鐘，初始化NB-IoT模塊，定時(shí)器中斷，串口中斷，外部中斷等;（2）若定時(shí)時(shí)間到，通過(guò)GPS模塊測(cè)量節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置;否則，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài);（3）通過(guò)12位ADC監(jiān)測(cè)電池電壓;（4）超聲波測(cè)距傳感器對(duì)垃圾桶內(nèi)垃圾進(jìn)行測(cè)距;（5）判斷垃圾高度是否達(dá)到設(shè)定的閾值，若達(dá)到閾值，則立刻通過(guò)NB-IoT發(fā)送告警信息至遠(yuǎn)端服務(wù)器，該數(shù)據(jù)包包含自身剩余電量信息、位置信息、垃圾高度信息，信號(hào)質(zhì)量信息，節(jié)點(diǎn)ID號(hào)等;若未達(dá)到閾值，則跳轉(zhuǎn)至步驟（2）。

環(huán)衛(wèi)管理人員可以在控制中心[6]，根據(jù)每個(gè)垃圾桶裝有垃圾量實(shí)時(shí)顯示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，調(diào)度垃圾收集車的運(yùn)行軌跡，提高了垃圾清理的效率和精準(zhǔn)性。

2? 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

圖3是根據(jù)第2節(jié)硬件和軟件設(shè)計(jì)原理制作的垃圾桶滿溢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，MSP430單片機(jī)工作模式下功率為0.65mW，待機(jī)模式下則僅有0.0026mW;JSN-SR04T采用第三模式盡可能降低功耗，工作電流為2mA;而B(niǎo)C-95模塊的工作電流可以低至5μA，進(jìn)入PSM低功耗模式下更可以忽略不計(jì)。同時(shí)，系統(tǒng)的工作流程為白天16h，每5min進(jìn)行一次采集處理，持續(xù)時(shí)間10s左右，夜間采集頻率降至1h一次;非工作時(shí)間系統(tǒng)所有模塊均進(jìn)入低功耗/睡眠模式。經(jīng)循環(huán)功耗測(cè)試后，確定整個(gè)系統(tǒng)24h的功耗約為1.8W，正常的3節(jié)二號(hào)電池總計(jì)4.5Ah的電量可以支持系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行超過(guò)20個(gè)月。

3? 結(jié)語(yǔ)

該智能環(huán)衛(wèi)垃圾桶監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，安裝布設(shè)方便靈活。對(duì)垃圾桶的垃圾量做出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，借助遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺(tái)，可幫助環(huán)衛(wèi)工提高收集效率，提升市容環(huán)境的整潔度，且設(shè)備功耗低，能在各種惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

參考文獻(xiàn)

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