基于NB-IoT的垃圾桶溢滿檢測系統設計與實現

秦苗苗，呂凱旋，姜冰冰

（鄭州輕工業大學，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來，經濟飛速發展，城市化程度不斷提高，導致垃圾數量呈爆炸性增長，進而導致嚴重的垃圾管理問題。這主要是由于垃圾監測和管理流程不當造成的。隨著物聯網技術的發展，技術人員可以利用物聯網技術將垃圾桶和互聯網相聯系，傳遞信息，從而對垃圾桶實行智能化監控，解決垃圾溢滿影響城市形象的問題。

傳統的無線信息傳輸技術，如GPRS、藍牙、ZigBee等盡管在功能上均能夠完成基本工作，但劣勢在于功耗大且有效傳輸距離短，不利于長期使用，故采用具有明顯低功耗和低成本優勢的NB-IoT（窄帶物聯網）無線傳輸技術解決上述問題。通過物聯網技術監管垃圾桶，完善溢滿檢測系統，提高環衛工作的工作效率，減少環衛工作中資源的浪費。

本文設計的基于NB-IoT的垃圾桶溢滿檢測系統包括硬件部分、軟件部分和IoT平臺部分。硬件部分主要研究主控模塊的控制方式以及物聯網技術的運用方法；軟件部分主要研究NB-IoT網絡的通信方式；IoT平臺部分主要研究平臺的搭建方式以及簡單的數據可視化方法。

1 系統設計方案

本系統采用干電池為電路系統供電，以垃圾桶桶蓋為安裝載體，通過MSP430主控模塊控制實用激光測距傳感器獲取桶內垃圾余量，通過控制實時時間模塊獲取時間，利用NB-IoT通信模塊通過基站將數據發送到IoT平臺。系統組成如圖1所示。

圖1 溢滿檢測系統框架

1.1 系統硬件設計

本系統的硬件組成包括：供電系統模塊、主控模塊、桶內測距模塊、NB-IoT通信模塊、實時時間模塊，如圖2所示。供電系統模塊為溢滿檢測系統的硬件供電，主控模塊是硬件系統的控制模塊，控制各種邏輯算法以及系統運行流程。測距模塊電路主要針對傳感器的輪詢讀取電路進行設計，采用邏輯開關芯片作為系統選通傳感器的模擬開關。

圖2 溢滿檢測系統硬件模塊設計

供電系統模塊為溢滿檢測系統的硬件供電，本次設計采用干電池，可根據微控制器的型號來確定干電池的電壓（3 V/5 V）。主控模塊是硬件系統的控制模塊，控制各種邏輯算法以及系統運行的流程。桶內測距模塊的目的是采集垃圾桶內垃圾余量數據，這是本次設計中進行溢滿判斷的基礎數據。數據上傳到IoT平臺后通過一系列算法即可進行溢滿檢測。通信模塊的主要作用是在微控制器的控制下把數據上傳到IoT平臺，并且在系統進入低功耗模式時，通信模塊也要配合低功耗模式進入休眠狀態。實時時間模塊具有確定實時時間的功能，為每個數據打上時間標記，便于分析和管理。

1.2 系統軟件設計

本系統軟件包括系統初始化部分、TOF10120激光測距部分、PCF8563實時時間獲取部分、M5311 NB-IoT通信模組上傳與接收數據部分。系統流程如圖3所示。

圖3 系統流程

該系統實現的功能如下：

（1）初始化部分：單片機初始化，各種功能對應寄存器的初始化配置以及函數的初始化聲明等；

（2）PCF8563獲取實時時間部分：系統硬件設備上傳的數據包含實時時間，所以需要在上傳數據之前獲取準確的時間，PCF8563芯片與單片機間進行IC通信把實時時間傳輸給單片機主控模塊；

（3）TOF10120激光測距部分：TOF10120激光測距模塊與單片機進行UART通信，把原始數據傳輸給單片機主控模塊，共有4個激光測距模塊，因此需要進行傳感器數據的輪詢讀取；

（4）M5311 NB-IoT通信模組通信部分：M5311 NB-IoT通信模組與單片機間進行UART通信，與IoT平臺通信首先需要通過SIM卡入網，NB模組聯網上報數據的過程根據AT指令完成，單片機通過UART通信將AT指令按照一定的邏輯順序發送給NB-IoT通信模組，控制NB-IoT通信模組把數據上傳到IoT平臺。

1.3 IoT平臺設計

IoT平臺需要在服務器中搭建，微控制器通過NB-IoT通信模塊將數據上傳到IoT平臺，同時接收IoT平臺下發的數據。IoT平臺將接收的數據經過處理后進行數據的可視化操作，方便用戶實時監管。硬件上傳的原始數據首先存放到后端的某一位置，接著經過一系列算法解析后，把需要用到的數據提供給前端，最后在UI界面上進行數據的可視化處理，用戶就可以從UI界面上看到處理后的數據。數據下發與上傳是完全相反的流程，在下發數據控制硬件系統時，首先從UI界面進行操作，寫入某些數據或按下某些按鈕后，經過前后端的交互，后端部分把數據進行封裝，轉化為JSON格式發送給硬件系統，如圖4所示。

圖4 溢滿檢測系統IoT平臺部分設計

2 溢滿檢測系統聯調測試

通過串口檢測工具監控NB-IoT通信模組和單片機之間的通信，以此來測試溢滿檢測系統的功能能否成功實現。主要進行兩次數據交流測試，分別是單片機上傳原始數據到平臺和平臺對硬件系統下發控制數據，硬件系統按照平臺下發的數據配置相關模塊進行工作。

2.1 上傳數據流程測試

確定模組正常工作之后，硬件系統連接服務器后就可以上傳封裝好的JSON格式數據到IoT平臺，上傳數據成功后，硬件系統需要接收服務器回傳的數據。上傳數據部分的串口工具監測示意圖如圖5所示。

圖5 上傳數據部分的串口監測示意圖

2.2 系統接收服務器回傳配置數據的測試

系統硬件成功連接到服務器后，請求服務器下發配置數據，以幫助系統的硬件部分進行對時，即確定當前的時間。之后IoT平臺會傳輸具體數據到系統的硬件部分，完成數據的接收工作后，需要清除HTTP連接。系統接收服務器的數據回傳配置部分串口工具監測示意圖如圖6所示。

圖6 數據回傳配置部分串口工具監測示意圖

3 結 語

本文設計的垃圾桶溢滿檢測系統為智慧城市的衛生環境治理提供了有效的方法。該系統選用了超低功耗的主控MSP430FR2433單片機，配合低功耗M5311 NB-IoT通信模組，使得系統在正常工作時所使用的電量極低，同時在空閑狀態時進入低功耗模式，使得持續耗電量維持在較低水平。系統擁有廣闊的使用空間與較好的市場前景。