基于樹莓派的智能公共紙盒系統設計

黃鳳英，徐天行，葉秀斌

（廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105）

0 引 言

公共紙盒在人們的日常生活中隨處可見，但是由于缺少相應的管理機制，許多使用者無節制地取紙，造成了大量的資源浪費。雖然大部分公共紙盒都添加了環保標語，但調查發現大部分取紙者無視環保標語，隨意取紙，如圖1所示。據統計，超過97%的用戶都經歷過紙盒缺紙的情況，其中66%的用戶發現投放擦手廢紙的紙簍中干紙量較多，如圖2所示。根據以上調查分析，不受控制的取紙往往會造成嚴重的資源浪費和用紙不便。

圖1 隨意取紙

圖2 紙巾浪費

另外，目前公共場所投放的傳統紙盒存在以下問題：一是部分用戶隨意取紙，造成用紙浪費[1]，產生多余廢紙垃圾，造成了資源的浪費，影響環保事業的發展；二是在使用過程中經常因為缺紙給用戶造成極大不便，需要后勤人員自主地巡視衛生紙是否用完，以便及時補裝，這種后勤管理方式效率低下；三是由于缺乏相應的監管機制，后勤保潔人員將準備更換或者未使用完畢的衛生紙占為己有，造成對公共資源的盜用。

本文設計的基于樹莓派的智能公共紙盒結合了當前公共紙盒普遍面臨的問題，充分考慮取紙用戶的使用需求，為各公共衛生場所提供了一款智能化的公共紙盒。其不僅能夠實現公共紙盒的自動出紙、控制出紙長度和換紙功能，通過聯網還能實現遠程監測、遠程管理和數據記錄的功能。

1 系統總體框架

本文設計的基于樹莓派的智能公共紙盒系統是結合物聯網、WiFi無線通信技術、Web開發和數據庫等前沿技術的遠程紙盒管理系統。該系統采用模塊化設計思路，硬件上由各部分的超聲波傳感器模塊實現各部分的功能：出紙口的超聲波傳感器感應出紙，測距超聲波傳感器將采集到的數據傳輸至主控平臺中；主控平臺將接收到的數據通過自身搭載的WiFi模塊傳輸至已建立TCP/IP連接的云服務器中，云服務器將接收到的數據存入對應的數據庫中；管理人員可以在Web端對設備和工作人員進行管理[2]。基于樹莓派的智能公共紙盒系統的方案設計圖如圖3所示。

圖3 智能公共紙盒系統的方案設計圖

2 系統硬件設計

本系統硬件設計以樹莓派為主控平臺，搭配板載WiFi模塊、二相混合式步進電機和2個超聲波傳感器[3]，組成完整的硬件系統，實現硬件部分自動出紙、出紙量可控和紙張余量檢測的功能。硬件系統整體框圖如圖4所示。

圖4 硬件系統整體框圖

本設計采用樹莓派Zero W作為主控平臺，它采用BCM2835芯片（1 GHz ARM11內核），有著512 MB的內存，同時板載了WiFi模塊[4]。以樹莓派Zero W作為系統開發平臺能夠節省開發者搭建硬件的時間，使得開發者更加專注于創意設計、算法細節和程序編寫，使創作的產品更加穩定[5]。

本設計采用樹莓派Zero W自帶的WiFi模塊實現智能公共紙盒和云服務器的數據傳輸，多臺紙盒設備可同時聯網與服務器進行通信，達到遠程實時監控管理的效果。

本設計采用了2個型號為HC-SR04的超聲波傳感器作為感知模塊。第1個超聲波傳感器裝配于出紙口下方，當該超聲波傳感器被觸發時，樹莓派將控制步進電機運行設定的轉動程序[6-7]進行一定角度的轉動，以實現自動出紙功能；第2個超聲波傳感器裝置于紙盒內壁，用于檢測其到卷紙筒的距離，并將檢測到的數值返回樹莓派平臺計算紙張余量，之后聯網將數據發送到云端。

在本設計中，當出紙口處的傳感器被觸發時，樹莓派將給予步進電機電脈沖信號，使步進電機轉動“步距角”[5]，并在獲取當前卷紙厚度的同時帶動卷紙紙筒轉動，實現紙盒自動吐出固定長度的卷紙。若該功能的傳感器未被觸發，步進電機不轉動，同時卷紙紙筒被固定，紙盒無法出紙。固定出紙長度功能是由余量檢測的超聲波傳感器和樹莓派的控制配合實現[8]，樹莓派使用周長計算公式實現每次出紙長度相同，轉動角度[9]計算公式為：

式中：D為卷紙軸到余量檢測傳感器的距離；d為當前傳感器檢測到的距離；N為出紙長度；n為單次轉動角度。步進電機執行出紙操作后，樹莓派將會對步進電機進行5 s的設備休眠，避免用戶在短時間內多次取紙。

3 系統軟件設計

基于樹莓派的智能公共紙盒系統設計的軟件系統是一個連接云服務器并可協助管理人員管理公共紙盒的Web端管理系統。管理員使用Web端管理系統可以隨時隨地通過網頁查看管理范圍內所有智能公共紙盒的剩余紙量，及時接收缺紙提示信息，查看系統內設備的用紙記錄和用紙統計，對于個人信息、人員系統和設備系統管理也能夠輕松完成，后期還可以結合數據進行分析，有助于合理的資源采購。Web端的功能設計如圖5所示。

圖5 Web端功能設計

3.1 軟件設計流程

基于樹莓派的智能公共紙盒系統設計的Web端采用HTML、CSS和PHP編寫，其中HTML和CSS用于編輯界面視圖，主要利用PHP編寫程序與云服務器進行通信。管理人員登錄系統后直接進入管理員中心，但同時還可以進入查看設備界面、設備用紙記錄界面和用紙統計界面；從管理員中心界面還可以進入增加設備界面、修改設備界面、刪除設備界面和修改個人信息界面、增加人員界面、刪除人員界面。Web端具體功能流程如圖6所示。

圖6 Web端功能設計流程

3.2 軟件功能設計

3.2.1 管理員中心

采用管理者的工號及密碼進行用戶登錄，登錄后即可進入管理員中心界面，如圖7所示。在該管理員中心界面，管理人員可以對個人信息、工作人員和設備進行管理。當點擊修改信息按鈕后將進入該登錄人員自我信息修改界面，界面自動顯示當前的用戶名、密碼和聯系電話，管理人員可在原信息的基礎上進行修改，也可以刪除后重新錄入。當點擊修改設備按鈕后進入修改設備界面，該界面能夠修改某設備的地址和卷紙余量，其修改操作以設備號為依據。添加用戶和添加設備的程序類似，在按下按鈕后會進入對應的功能界面，當用戶提交信息后，程序對提交的數據進行獲取和判斷，數據為空或數據不符合格式時返回界面信息提示；當添加的設備號或工號已存在時則提示已存在；若格式正確且為新設備號或工號，則能夠正常添加并提示添加成功。刪除設備需要輸入正確的設備號和對應的設備地址才能夠進行刪除設備操作；刪除人員也需要輸入正確的工號和對應的用戶名才能夠進行刪除操作。

圖7 管理員中心界面

3.2.2 實時狀態

在實時狀態界面設置余量不足彈窗和設備信息查詢功能。當切換到該界面時，網頁后臺先查詢設備表中余量為“0”的設備，將設備地址返回網頁，并使用彈窗顯示，管理人員通過返回的地址信息及時補充該地址設備的卷紙，這樣能夠有效地避免用戶無紙可取的情況發生。如果設備表中沒有缺紙設備時則直接顯示“通過設備號查找設備”的輸入框，管理人員只要輸入存在設備表中的設備號，便可查看對應的設備當前的設備號、設備地址、換紙次數和當前卷紙余量。

點擊菜單欄中的實時狀態，跳轉到實時狀態界面，設備表中存在余量為“0”的設備時，將彈出如圖8所示的提示框，在實時狀態界面的輸入欄中輸入正確的設備號進行查看時，可以得到該設備的當前信息，如圖9所示。

圖8 彈窗信息提醒

圖9 設備信息實時狀態

3.2.3 用紙記錄和用紙統計

用紙記錄界面主要是用于查看管理范圍內各個設備的用紙情況。當卷紙消耗異常時能夠通過查看用紙記錄確定異常的時間段，從而進一步發現存在的問題，及時進行處理并在日后加以預防。用紙統計界面通過條形統計圖直觀呈現系統內所有設備的累計換紙次數，對于換紙次數異常的設備，則可以通過查詢該紙盒一天內的換紙次數進行核對，及時發現盜紙現象，還能為之后采購卷紙提供數量參考。點擊菜單欄中的用紙統計即可進入用紙統計界面，在用紙統計界面能夠直接顯示系統中所有設備的用紙條形統計圖，當輸入設備號時，可查看該設備在各日期的換紙數據。查詢設備號為“2”的設備用紙統計界面如圖10所示。

圖10 用紙統計界面

4 結 語

本文設計的智能公共紙盒系統能夠通過控制出紙量，解決隨意多用或盜用的問題，避免出現資源浪費現象，還可以遠程提醒管理人員及時補充卷紙，解決紙盒缺紙時用戶長時間無紙可取的問題。該智能公共紙盒實用性強，適用范圍廣，更能夠滿足當前社會需求。