基于物聯網的滅煙柱電控系統設計

劉建福，吳小梅

延安市煙草公司寶塔分公司，陜西延安，716000

0 引言

近年來，我國經濟建設取得了輝煌成就，精神文明建設的力度也在不斷加大，各城市都在爭創文明城市。市容市貌是城市衛生和城市文明的重要標志，因此各地都在公共場合安裝了滅煙柱，以達到“煙頭不落地、城市更美麗”的效果。煙蒂被投入滅煙柱后進入收集桶，因為缺乏氧氣而熄滅，避免了因為繼續在空氣中燃燒產生二手煙，危害他人健康。環衛工人定時清理收集倉中的煙蒂，可以解決隨意丟棄煙蒂的問題。

美國著名設計師及藝術理論家埃羅·沙里寧說過：“讓我看看你的城市，我就能說出這個城市居民在文化上追求的是什么[1]。”以往的滅煙柱只提供滅煙和收集煙蒂的功能，隨著社會文明的進步，控煙的方式也在變化，從以往告知煙民“吸煙有害健康”，轉變為引導并規范煙民的行為，降低了二手煙對環境的污染程度，避免了亂扔煙蒂給環境和公共安全帶來的危害。物聯網技術的蓬勃發展和人工智能算法日趨強大[2]，為設計新型的滅煙柱提供了技術儲備。本次設計了一款基于物聯網的智能滅煙柱，不僅有傳統滅煙柱的滅煙和收集煙蒂的功能，還通過綜合運用智能交互技術、機器視覺技術和物聯網技術，達到引導煙民規范自己的滅煙和點煙行為、減小環境污染、消除消防隱患、降低環衛工人勞動強度和便于廢物回收的效果。

1 總體設計

智能滅煙柱可以布置在走廊、大廳等室內場合，也可以布置在廣場、路口等人流密集的室外。為了盡量降低能耗，可以使用光伏板充電、換電和無線充電并行的方法保證電控系統的供能。光伏板布置在正立面、側立面和頂面，電池倉位于立柱的底部，頂部是電控倉，收集倉位于中部。整個滅煙柱的底座是一個AGV小車。隨著太陽照射角的變化，AGV帶動滅煙柱旋轉，讓光伏板始終正對陽光，從而提高光電轉換效率。電控倉的四個立面安裝有4個攝像頭，通過對獲取的圖像進行識別，判斷周圍的人數，觸發系統進入或離開休眠模式，最大限度節約電能。還可以通過遠程傳輸視頻的方式，以遠程遙控的方式行走到集中換電區域或無線充電區域，完成換電或充電。

煙民把煙蒂投入滅煙柱時，滅煙裝置的翻板克服彈簧的反力被煙蒂推動，收集倉蓋板隨之打開。松開煙蒂后，煙蒂落入收集倉，收集蓋板復位，煙蒂因缺乏氧氣而熄滅，二手煙也因為收集倉密閉無法離開收集倉。作為對煙民正確投放煙蒂的獎勵，播放語音進行鼓勵。當需要點煙時，引導煙民到滅煙柱的點煙模塊進行點煙，并在觸摸屏上播放新聞、健康小常識或公益廣告，從而避免在禁止吸煙的區域點煙和吸煙。作為對煙民沒有在禁煙區域點煙的鼓勵，不僅免費使用點煙功能，還可以通過手機掃描觸摸屏上的二維碼，通過識別身份進行積分，累積后可以領取保健類的小禮品。

本次設計的智能網聯滅煙柱，系統總體結構圖如圖1所示。

為確保系統正常運行，在最頂層的應用層設置有總監控室，總監控室通過互聯網連接到云服務器，系統維護人員可以通過電子看板監控所有滅煙柱的實時狀態；在底層的感知層，安排了換電/充電區域的值班人員，完成換電/充電、清理和日常維護工作，也在滅煙柱的布置區域對接了環衛人員，完成清理工作。

滅煙柱作為物聯網的終端，除了和周圍的人通過觸摸屏和語音進行交互以外，還可以把實時監控的各種參數傳送到云服務器，系統維護人員可以通過手機端或電腦端查看布置在不同地理位置的滅煙柱采集的各種參數。當煙蒂收集數量達到清理閾值時，滅煙柱向云服務器發送申請清理警報，云服務器向距離滅煙柱最近的環衛工人發送清理工單，如果環衛工人附近有多個需要清理的滅煙柱，則在工單中添加最優化的清理路徑；如果滅煙柱需要清理，且臨近換電/充電時間點，則給云服務器發送換電/充電申請，由總監控室的值班人員遠程操控AGV，帶動滅煙柱到換電/充電區域，由值班人員完成清理工作以后，進行換電或充電。環衛工人或值班人員打開收集倉的倉門，清理煙蒂并關上倉門時，煙蒂數量清零。

通過對煙蒂數量和電池電量的實時監測、遠程數據傳輸和云服務器的人工智能調度程序，最大程度降低清理工作量，同時通過自診斷算法實現滅煙柱的健康管理，實現“上醫治未病”的效果，在系統出現故障前通過對參數的診斷發現隱患并及時維護，從而確保系統的高可靠性。

2 模塊設計

滅煙柱的終端包含8個功能單元：滅煙次數與清理次數的計數單元、點煙電路的驅動單元、觸摸屏和語音播報的人機交互單元、人臉識別單元、BMS單元、AGV單元、北斗定位單元和GSM/GPRS數傳單元。

電控系統模塊關系如圖2所示。

系統中各功能單元中的模塊使用的協議差別較大，觸摸屏、語音模塊、人臉識別模塊和數傳模塊都使用各自的自定義協議，AGV單元和定位模塊使用Modbus協議。為了適應多種協議，選用STM32F103C8T6單片機為主機控制器[3]。從機則使用STC15W4K58S4單片機，主控制器的4個串口上搭建4條485總線，可以同時適應4種不同的協議。串口1運行Modbus協議，掛載3個從機和定位單元。為了便于后續功能擴展，把計數模塊和驅動模塊掛在1號從機上。在360°范圍布置了4臺攝像機，對應的4個人臉識別模塊通過2號從機統計滅煙柱周圍的總人數。3號從機接收主機發送的運動控制命令，給驅動器發送PWM信號或制動信號，控制輪轂電機轉動或停止。定位單元直接通過Modbus總線向主控制器發送定位信息。串口2通過自定義協議向語音模塊發送需要語音播報的字符串。串口3通過自定義協議和觸摸屏交互。串口4通過自定義協議和數傳單元交互數據。

2.1 計數單元的設計

通過記錄滅煙次數和清理次數，可以實時監測收集倉中煙蒂的數量，當煙蒂數量超過閾值后，發出信息讓環衛人員清理，從而降低環衛人員的勞動強度。

選用4線制NPN型光電開關作為傳感器，白色線在遮光時輸出電源電壓，黑色線在入光時輸出電源電壓。滅煙板采用翻板結構，煙蒂推動滅煙板時觸發光電開關，煙蒂落入收集桶后，滅煙板由彈簧帶動復位，光電開關隨之復位。用白色線作為滅煙計數的信號線，在滅煙板被頂開又復位時產生下降沿。如果清理倉的倉門被打開時，門上的擋片不遮擋光電開關的光路，光電開關復位，清理結束關閉倉門時，光電開關動作。用黑色線作為清理計數的信號線，在倉門打開又關閉時產生下降沿。下降沿信號發送到控制器的中斷引腳后，引發中斷并修改計數值。

2.2 驅動單元的設計

為了規范煙民在公共場合的吸煙行為，增加了點煙模塊。通過手機可以查到附近滅煙柱的地理位置，可以到滅煙柱免費點煙，從而引導煙民離開禁止抽煙的區域。

使用繼電器驅動兩路高壓放電電路，在兩對點火針上同時拉弧，通過預先調整點火針的位置，兩路電弧能夠互相吸引并靠近，形成X型電弧。使用限位機構讓送入的煙頭位于X型電弧的交叉點上，能夠迅速產生足以點煙的熱量。

2.3 人機交互單元的設計

選用迪文的7寸觸摸屏，顯示滅煙次數、清理次數、點煙次數、環境溫度、剩余電量等實時參數。

同時本研究結果顯示，增強MRI聯合CT掃描對良性和惡性骨腫瘤診斷準確性分別為95.24%和96.00%，明顯高于CT掃描和增強MRI(P<0.05)，而增強MRI對良性和惡性骨腫瘤診斷準確性略高于CT掃描，但差異無統計學意義(P>0.05)。增強MRI聯合CT的敏感度、特異度和陰性預測值明顯高于CT掃描和增強MRI(P<0.05)；而陽性預測值無明顯差異(P>0.05)。表明增強MRI聯合CT掃描可顯著提高良惡性骨腫瘤診斷準確性，敏感性和特異性。涂詠濤等[12]發現雙螺旋CT聯合MRI診斷能夠有效提高患者膝部骨腫瘤臨床檢出率，與本研究結果一致。

控制器通過UART接口和觸摸屏交互，使用115200的波特率。每次傳送10位數據：1個起始位、8個數據位（低位在前高位在后）和1個停止位。數據幀格式如表1。

在數據幀中，幀頭固定為：0x5A 0x A5；數據長度是指令、數據和校驗碼的字節數之和；指令用0x82向觸摸屏寫數據，用0x83從觸摸屏中讀取數據；數據最大長度是249個字節；校驗碼使用CRC16校驗，也可以選擇不使用校驗。

表1 迪文觸摸屏數據幀格式

觸摸屏的變量空間一共1 2 8個字節，其中用戶變量區共6 0個字節，地址范圍是0x1000～0xFFFF。在設計觸摸屏界面時，指定每個控件對應的地址。

系統上電后，控制器用詢問版本號的方法發送握手指令：5a a5 04 83 00 0F 01，其中0x000F在系統變量接口區，存放觸摸屏系統程序的版本號，如果觸摸屏返回：5a a5 06 83 00 0F 01 41 10，說明觸摸屏和控制器之間通信正常。用DGUS Tool軟件設置點火按鈕的變量地址為0x1000，當用戶按下點火按鈕時，觸摸屏向控制器發送數據：5A A5 06 83 10 00 01 00 0A；設置滅煙數量文本框的變量地址為0x1050，控制器向觸摸屏發送數據：5A A5 05 82 10 50 00 02，則觸摸屏的滅煙數量文本框中顯示2。

如果用戶使用滅煙柱的滅煙功能，在滅煙板復位時，使用語音模塊播放“煙頭不落地、城市更美麗”的語音，作為沒有隨地丟棄煙蒂的鼓勵。在室外使用時，當識別到周圍人比較多的時候，則播放旋律輕快的歌曲或播放公益語音廣告。

控制器通過串行口發送文字、字母或數字實現語音播放，通過發送音效、音量和語速的設置命令改變播放效果。串行通信默認的傳輸格式是：9600，8，N，1。CN-TTS語音合成模塊接收中文的GBK碼或者英文字母/數字的ASCII碼，并播放相應的語音。在上電初始化完成、開始播放語音和播放結束時，語音模塊向控制器發送返回信息。

2.4 人臉識別單元的設計

當滅煙柱被布置在室外時，會遇到連續陰雨天太陽照度不足的情況，當周圍人數較少時，系統需要進入低功耗模式。所以判斷周圍的人數是必備的功能。當有人靠近滅煙柱時，人體感應模塊發出觸發信號，控制器退出低功耗模式，并通過攝像頭拍攝的影像，使用人臉識別算法判斷周圍的精確人數[4]。

表2 GNRMC 解析

人體感應模塊是基于紅外熱釋電技術設計的，被動接收人體發射的10UM的紅外線，經菲涅爾透鏡增強后傳導到熱釋電元件，熱釋電元件因溫度變化電荷失衡，向外釋放電荷，調理電路處理后能檢測10米內是否有人靠近。因為熱釋電元件對溫度敏感，所以用內置的溫敏電阻補償環境溫度對測量的影響。

人臉識別模塊由攝像頭和OpenMV Cam H7 Plus組成。人臉識別本質是特征識別，在OpenMV4中已經內置了人臉檢測的模型和算法，使用MicroPython編程[5]，使用image模塊下的find_features（）特征尋找函數，可以快速實現人臉識別應用。該函數搜索和Haar Cascade匹配的所有區域的圖像，并返回一個關于這些特征的邊界框矩形元組（x，y，w，h）的列表。若未發現任何特征，則返回一個空白列表。基于Haar特征的cascade分類器（classifiers）是Paul Viola和Michael Jone在2001年論文“Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of Simple Features”中提出的一種有效的物品檢測（object detect）方法。它是一種機器學習方法，通過許多正負樣例中訓練得到cascade方程，然后將其應用于其他圖片。算法需要許多正樣例（包含人臉的圖片）和負樣例（不包含人臉的圖片）來訓練分類器，從這些圖片中獲取特征（extract features）。人臉識別模塊把識別的人數通過串口發送給控制器。

2.5 定位單元的設計

定位功能選用HS6601定位模塊，能進行GPS定位和北斗定位的雙模定位，將定位信息從RS485 接口以Modbus 協議發送給控制器，默認115200的波特率。定位數據存儲在保持寄存器中，地址是40005～40039。控制器發送讀取定位數據命令：01 03 00 05 00 23 14 12，定位模塊返回：01 03 46 70字節數據校驗碼。70個字節的數據符合NMEA0183協議，具體含義見表2。

控制器解析返回的數據，截取經緯度信息并保存在環境變量區。

2.6 BMS單元的設計

滅煙柱的四個立面上安裝有光敏電阻，通過和標準電阻分壓，可以輸出和光照強度對應的模擬信號。光伏板輸出電壓和電池組電壓經過取樣電阻分壓，輸出和實時電壓對應的模擬信號。STC15W4K32S4單片機集成8路10位的A/D轉換器，轉換速度可以達到300kHz。通過對4路光強信號的采集和分析，結合定位單元中的地磁偏角，確定滅煙柱當前的地磁偏角，再結合定位單元的經緯度和時間信息，對比經驗公式計算出滅煙主應該旋轉的角度，由1號從機發送給主控制器，主控制器再發送給3號從機，由AGV單元驅動滅煙柱旋轉。當光伏板輸出電壓高于電池組電壓時，供電模式繼電器吸合，光伏板給電池組充電，進入光伏充電模式；當光伏板電壓低于電池組電壓時，供電模式繼電器復位，市電充電接口和電池組的電路接通，進入市電充電模式。在市電充電模式中，充電區值班人員可以通過充電接口接通市電，給電池組充電。

2.7 AGV單元的設計

3號從機接收主控制器發送的運動控制命令以后，發出控制速度的脈沖信號和控制啟/停、方向的電平信號，ZLAC706低壓伺服驅動器根據脈沖信號和電平信號驅動輪轂電機，使用電子差速方式，帶動兩個從動輪運動。STCC15W4K32S4單片機集成兩路PCA模塊，可以同時輸出兩路PWM信號。PWM信號輸出到驅動器的PUL-和PUL+端，用PWM的頻率控制電機的轉速。高低電平信號輸出到驅動器的DIR+和DIR-端，控制電機旋轉方向。當AGV單元不工作的時候，使用高低電平信號控制驅動器的ERC+和ERC-端，切斷電機電源。

2.8 數傳單元的設計

數傳單元選用MZH001模塊完成基于GSM/GPRS的數據傳輸。該模塊以STM32F103C8T6單片機為核心，以EC20 GPRS模塊為通信渠道，完成數據的遠程傳輸。

7模的EC20模塊內置TCP/IP協議，具備全網通功能。模塊上電后，電源指示燈先點亮，延時過后進入尋網狀態，網絡指示燈以每秒1次的速度閃爍，當網絡指示燈變為以每2秒1次的速度閃爍時，表明尋網成功，模塊進入正常工作狀態。模塊通過485接口和控制器進行交互，接收到控制器發送的環境變量后，把數據上傳到云服務器。

3 結語

本文介紹了一種基于物聯網技術的滅煙柱電控系統，系統實現了滅煙柱的智能化和網聯化。通過采集周圍的信息，在無人的時候低功耗運行，在有人的時候主動引導煙民規范滅煙。延安煙草局在延安市使用該系統近一年，運行效果良好，取得了較好的社會效益。