基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧公廁設(shè)計(jì)

秦豆豆 郭凱瑞 李宇浩 王美濤

（石家莊鐵道大學(xué) 河北省石家莊市 050043）

在世界廁所的演化史中，我國占據(jù)了比較發(fā)達(dá)靠前的位置，相較于歐洲中世紀(jì)才出現(xiàn)公共廁所的概念，自春秋戰(zhàn)國時(shí)期以來，我國廁所的發(fā)展就已經(jīng)較為規(guī)范。廁所的出現(xiàn)為人們的生產(chǎn)生活提供思路，從五谷輪回的傳統(tǒng)思想、農(nóng)家肥的種植技術(shù)、防范疾病的廁所衛(wèi)生文化，可以看出廁所也是蘊(yùn)育進(jìn)步果實(shí)的地方。時(shí)至今日，廁所依舊可以作為一個(gè)區(qū)域文明的體現(xiàn)，在習(xí)近平總書記對(duì)“廁所革命”作出重要指示后，我們得到了如何改善廁所環(huán)境、創(chuàng)新廁所發(fā)展、提高廁所周邊環(huán)境質(zhì)量的方針，民生得到改善，廁所也搭上了時(shí)代發(fā)展的快班車。

“廁所革命”以來，我國城鄉(xiāng)社區(qū)及旅游區(qū)公共廁所設(shè)施得到了空前的重視與發(fā)展，在融入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)后，廁所也變得更為智能智慧化，人們生活也變得更為方便，衛(wèi)生新習(xí)慣新風(fēng)尚正在形成。

1 背景

在一些大城市中，公共廁所的發(fā)展已較為成熟，以天津市北辰區(qū)為例[1]，近兩年城市公共廁所的發(fā)展突飛猛進(jìn)。城區(qū)從實(shí)用角度出發(fā)，融入廁所建筑設(shè)計(jì)、環(huán)境衛(wèi)生、隱私安全、數(shù)字智慧化等多個(gè)方面對(duì)廁所進(jìn)行了升級(jí)并指定了相關(guān)的規(guī)范說明。在不斷完善的改進(jìn)下，公共廁所也將成為城市的一個(gè)文明窗口，展現(xiàn)發(fā)展風(fēng)采；亦如深圳市南山區(qū)的馬家龍公廁，該公廁可利用Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)，語音提示并配有智能洗手機(jī)[2]，南京市公廁在不同地區(qū)設(shè)立公廁電子地圖，大大方便市民的生活[3]。

但在實(shí)際生活中不難發(fā)現(xiàn)存在著這樣的現(xiàn)象：相對(duì)于理想隨走隨沖的情形，有些公共廁所總是臭烘烘的，以至于臟亂差漸漸成為了其刻板印象。從物理層面講，臟亂差的主要原因在于排泄物無法及時(shí)沖走，積攢產(chǎn)生的氨氣沼氣以及尿堿散發(fā)出的氣味使人產(chǎn)生抵觸；從人為角度看，一部分人如廁結(jié)束后不會(huì)去進(jìn)行手動(dòng)廁沖，沒有良好的文明習(xí)慣，抑或是廁所陳舊臟亂，未得到有效管理。

廁所的文明發(fā)展需要一個(gè)過程，普及開來的公廁衛(wèi)生條件的改善也是有目共睹的，結(jié)合創(chuàng)新科技，應(yīng)用于實(shí)際生活，本著解決實(shí)際需求的想法，本設(shè)計(jì)選取高校廁所作為公共場合，選取教學(xué)樓公共廁所等作為測試地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小型化智慧公廁管理系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)思想及基本功能

設(shè)計(jì)思想：通過架設(shè)傳感器感知節(jié)點(diǎn)對(duì)廁所進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控，將各種數(shù)據(jù)報(bào)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云端平臺(tái)進(jìn)行處理，同時(shí)系統(tǒng)將處理過的信息以某種形式（網(wǎng)頁應(yīng)用）展現(xiàn)給普通用戶，方便尋找合適坑位；以后臺(tái)網(wǎng)頁的形式展示數(shù)據(jù)給廁所維護(hù)管理人員，簡化其工作量。

基本功能：用戶于網(wǎng)頁登錄查看廁所廁位等信息，選好后刷門禁卡，專屬廁門開啟，如廁時(shí)廁位顯示有人，其他用戶不得刷卡入該廁位；管理員登錄后臺(tái)管理網(wǎng)頁，查看廁所溫濕度、氨氣濃度、坑位信息，沖便信息，管理門禁卡人員信息等。

如圖1所示。

圖1

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主要應(yīng)用技術(shù)

軟件端：HTML、PHP、MySQL，移動(dòng)OneNET云平臺(tái)，阿里云ECS服務(wù)器。

硬件端：STM32、ESP8266-Wi-Fi、HC-SR04超聲波傳感器、DHT11溫濕度。

同步傳輸技術(shù)：數(shù)據(jù)的接收方與發(fā)送方共用一根時(shí)鐘線，以同定的時(shí)鐘順序與數(shù)據(jù)碼元傳輸數(shù)據(jù)，達(dá)到數(shù)據(jù)交換的目的。簡單來說，這像是一種面對(duì)面的傳輸方式。

異步傳輸技術(shù)：數(shù)據(jù)的接收方與發(fā)送方約定好數(shù)據(jù)傳送的格式，不再使用同步的時(shí)鐘線，通過雙方規(guī)定好的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收處理。這就好比古代戰(zhàn)爭中的擊鼓傳信，敲擊多少下后代表一種信息，通過起始與結(jié)束等信號(hào)傳遞完整的信息。

SPI通信：通過4根線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向同步傳輸，分為主設(shè)備與從設(shè)備，裝配在廁門上的RFID-RC522芯片模塊負(fù)責(zé)檢測用戶刷卡開門動(dòng)作，就是通過SPI與主控芯片通信，達(dá)到刷卡接收開門信息的功能。

串口通信：通過兩根數(shù)據(jù)線與地線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送接收，這是一種異步通信技術(shù)，由于其良好的數(shù)據(jù)收發(fā)方式，串口通信可以很簡單的實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)距離的通信。本設(shè)計(jì)利用串口通信的方式，使ESP8266模塊與STM32芯片連接，硬件端發(fā)送數(shù)據(jù)至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)端，并在網(wǎng)頁應(yīng)用處實(shí)現(xiàn)信息處理與展示功能。

3.2 軟件方案設(shè)計(jì)

后臺(tái)開發(fā)概要：網(wǎng)頁前端利用HTML編寫，后端利用PHPStudy中的PHP+MySQL集成環(huán)境開發(fā)。

數(shù)據(jù)庫表關(guān)系如表1、表2、表3所示。

表1：用戶信息表login_info

表2：學(xué)生信息表student_info

表3：開鎖日志信息表openlock_info

PHP后臺(tái)數(shù)據(jù)處理：通過接收移動(dòng)OneNET云平臺(tái)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，執(zhí)行數(shù)據(jù)判斷于命令回傳下發(fā)，使硬件端設(shè)備收到感應(yīng)，做出開門動(dòng)作。簡要代碼如下：

3.3 硬件方案設(shè)計(jì)

硬件主控選取高主頻運(yùn)算的STM32芯片，通過C語言設(shè)計(jì)芯片的驅(qū)動(dòng)程序。將外部傳感器模塊通過總線的方式連接開發(fā)主板，將線材隱匿至廁所墻體中，外部搭建工作完成。溫濕度傳感器選取DHT11模塊，該模塊價(jià)格低廉，精度合適，完全滿足實(shí)際廁所硬件平臺(tái)的開發(fā)。使用超聲波測距模塊檢測坑位是否有人，該設(shè)計(jì)方案日后可用紅外人體檢測裝置代替。通過Wi-Fi模塊接收來自移動(dòng)OneNET云平臺(tái)的數(shù)據(jù)命令，使電磁繼電器控制電磁鎖，達(dá)到開關(guān)門的功能要求。

4 展望

就此設(shè)計(jì)而言，有以下幾個(gè)方面可以改進(jìn)：刷卡如廁的方式難免局限，此功能點(diǎn)可升級(jí)為二維碼識(shí)別開門，由二維碼生成器產(chǎn)生二維碼卡片，從而實(shí)現(xiàn)選坑如廁的功能；硬件端Wi-Fi亦可切換為時(shí)下新興技術(shù)NB-IoT，這樣一來可以免除掉無線路由接入上網(wǎng)的麻煩，在一些Wi-Fi不必要的移動(dòng)廁所中，可以實(shí)施此方案；對(duì)于網(wǎng)頁端應(yīng)用，可以設(shè)計(jì)一個(gè)專有APP軟件，移動(dòng)端通過地圖的形式將廁位展示出來，顯示附近廁所及坑位使用情況，方便大眾生活，建立新的快捷使用習(xí)慣。

從廁所可窺見人類文明進(jìn)步的縮影，衛(wèi)生潔凈的用廁空間與環(huán)境將助于社會(huì)營造新風(fēng)尚。伴隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量不斷向好發(fā)展，在現(xiàn)代化不斷縱深發(fā)展的當(dāng)下，如何讓生活更體貼，使人的生存環(huán)境更友善，這是需要思考的命題。從現(xiàn)實(shí)意義出發(fā)，公共廁所的智慧化程度提高將有利于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，生活的質(zhì)量將進(jìn)一步提高。