基于物联网的垃圾回收站环境检测系统设计

葛 鑫,蒋 玲,陈慧蓉*,邱萌萌

(1.芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖 241000;2.安徽机电职业学院 电气工程学院，安徽 芜湖 241000)

面对人口增长、生活节奏的不断加快，物品的种类和数量呈急剧上升的趋势，越来越多的生活垃圾和工业垃圾伴随在人们身边，城市生活的垃圾量、清理量不断加大，给城市垃圾的管理和处置带来了巨大的压力，进一步导致了堆积在垃圾回收站的垃圾没有得到有效、及时的处理.垃圾数量的增加，伴随着环境中温度、湿度的变化，加速生活垃圾中有机物的腐烂分解、工业垃圾中部分材料气味的挥发等，不可避免地将产生大量的环境污染.垃圾回收站的污染源主要来自进厂的原始垃圾，垃圾运输车在卸料过程中和垃圾堆放在垃圾储坑内散发出有毒有害气体，主要包括硫化氢(H2S)、氨气(NH3)、甲醛等，这些气体的扩散将危害城市的人体健康.垃圾回收站的有毒有害气体检测能够及时提醒垃圾的处理，更是未来垃圾回收站环境检测的一种必然趋势.

本系统以ZigBee技术为核心，结合无线核心模块组建了一套数据传输灵活、成本较低、可靠性高的无线传感网络，用来对垃圾回收站中的环境进行检测，实现系统的智能化和自动化.

1 系统总体结构

1.1 ZigBee结构特点

物联网是新一代信息技术的重要组成部分.通过激光扫描器、射频识别(RFID)、红外感应器等传感设备，按相应的协议，将所有物品与互联网相连接，进行信息交互和网络通讯，达到实现集智能化识别、GPS、实时监控和管理于一体的网络[1-2].

近年来，物联网采用的路由协议主要有ZigBee、WSN等，其中ZigBee是目前运用较多的传输协议，其可以实现节点之间相互自组网，具有良好的可延续性和灵活性，实现了网络数据的自动收发，为物联网数据信息不断传输提供了很好的支撑[3-4].

ZigBee具有传输距离近、自动组网、功耗较低、成本较低等特点，一般运用于远程控制和智能控制领域，并且能够嵌入各种设备技术，适用于垃圾回收站环境检测[5].

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

图2 无线终端节点结构图Fig.2 Wireless terminal node structure diagram

1.2 系统总体结构

垃圾回收站环境检测系统由监控平台和ZigBee无线传感网络两部分组成.其中ZigBee无线传感网络由无线终端节点与网络协调器节点组成，系统总体结构如图1所示.

通过无线终端节点采集垃圾回收站中温湿度、硫化氢、甲醛、氨气及二氧化硫气体体积浓度，将采集的数据传输至网络协调器节点，并最终将数据传递至监控平台.如果检测数据超过所设定的危险上限将会发出报警信号，并且终端节点通过自身的GPS定位模块进行定位，利用协调器实现定位指令、定位坐标的信息传递.系统中GSM通信模块，用于实现环境数据的短信发送[6]，实时为环境监护人员提供准确信息，及时处理来减少甚至避免有害气体带来的危害.

监控平台具有数据保存、数据查询、报警与运行状态显示等功能，为环境监护人员提供访问界面，提示急需处理的垃圾，并且具有数据保存和查询等功能.

2 系统硬件设计

选用集成微控制器和ZigBee射频芯片于一体的CC2530来进行数据的采集和无线传输.CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 应用的一个真正的片上系统解决方案，其包含射频RFCC2520，能够在ZigBee2007协议栈的基础上进行，并具有较小的体积和重量，集成单片机、ADC、无线通信模块于一体，节点通信距离远，组网性能稳定可靠[7-8].

2.1 无线终端节点

无线终端节点在无线网络中执行数据采集、数据处理、数据传输和运行控制，它负责系统环境中温湿度、各类垃圾产生的有毒有害气体数据、GPS定位模块的坐标信息采集等.其中主要包括传感器模块、GPS定位模块、报警模块、LED显示电路、ZigBee无线收发模块等.

在本文设计的ZigBee系统中，由协调器建立网络，其余无线终端节点申请加入，在加入网络后，将采集的信息逐步传递给协调器，并接收其发来的命令，若发现危险情况将发出报警信号，整个节点利用LED显示电路监控工作和网络状态.具体节点设计如图2所示.

2.1.1 温湿度检测模块 温湿度检测使用DHT11传感器，输出为数字信号，测量范围为20%～90%RH，温度0～50℃，测量精度为湿度±5%RH、温度±2℃，稳定性高，能够长期使用，完全可以满足系统测量需要[9-10].

2.1.2 气体检测模块 甲醛检测采用HCHO/C-10电化学传感器，测量范围为0～1.2 mg·m-3；响应时间小于50 s；在非凝结状态下，湿度范围为15%RH～90%RH；在空气中工作寿命长达3 a；输出(1 000±250) nA·(mg·m-3)-1信号；温度范围达到-20～45℃；线性度输出，适合长期实时精确检测.硫化氢传感器采用TGS825，测量范围为7.5～150 mg·(m-3)-1；加热器电压VH：5±0.2 V(DC/AC)；灵敏度为0.45±0.15(H2S 75 mg·(m-3)-1/15 mg·(m-3)-1)；具有高灵敏度，能够适应恶劣环境，非常适合用于本系统硫化氢气体检测.二氧化硫检测采用HCI/M-20定电位电解式传感器，测量范围0～57 mg·m-3；最大负荷达到14 250 mg·m-3；温湿度范围为-20～45℃、15%RH～90%RH(非凝结)；线性度输出，在空气中工作寿命2 a，适合长期高精度检测.氨气检测采用NH3/CR-200传感器，测量范围为0～76 mg·m-3；最大负荷152 mg·m-3；在空气中工作寿命2 a；输出(118±237)nA·(mg·m-3)-1信号；分辨率达到0.76 mg·m-3，适用于对本系统氨气的检测.

2.1.3 GPS模块 以ZigBee协调器建立的无线网络为中心，终端节点通过自身的GPS定位模块进行定位，利用协调器实现定位指令、定位坐标的信息传递.

图3 网络协调器节点结构框图Fig.3 Network coordinator node structure diagram

图4 无线终端模块流程图Fig.4 Wireless terminal module flowchart

2.2 网络协调器节点

在垃圾回收站环境检测系统中，协调器主要负责建立与管理网络、与上位机及GSM模块通信、接收终端节点传输的数据并处理、向终端节点发送指令、显示网络状态.其中主要包括：GSM通信模块、LED与LCD显示电路、ZigBee无线收发模块等.

在本文设计的系统中，网络协调器节点建立无线传感网络，将采集的数据进行传输并处理，通过RS232串口实现与GSM通信模块和上位机监控平台的数据交互，节点中利用LED和LCD显示电路监控工作和网络状态.具体节点设计如图3所示.

GSM通信模块主要由功率放大器、射频芯片等组成，可以对GSM射频处理，配有标准接口.GSM模块具有基于GSM移动网络进行通信的所有功能，包括发送SMS信息、语音通话等.能够实现以短信、语音通话等模式实时将垃圾回收站环境信息告知环境监护人员，并进行及时的垃圾处理.

3 系统软件设计

系统的程序流程首先需要对相关参数进行设置，包括采样周期、输入通道等.然后以协调器为中心发出指令，无线终端模块接收到协调器发来的命令后，通过各类传感器、GPS定位模块进行信息采集，再经过无线网络传输至协调器，最终由串口传递给上位机监控平台.系统的软件主要包括无线终端节点和网络协调器节点两个部分.

3.1 无线终端模块软件设计

无线终端模块主要是采集的各类垃圾回收站的数据(包括：温湿度、有毒有害气体、GPS定位信息等)，并将这些数据通过建立的无线传感网络传送至网络协调器，同时接受网络协调器发送的执行命令.

模块上电后进行硬件和协议栈初始化，并对相关参数设置，然后开始网络扫描，等待入网信号的建立，在接收到网络信号时请求加入网络，在模块执行的过程中将接收的各类采集数据发送至网络协调器，若采集的温湿度及有毒有害气体浓度超过设定的上限值，报警模块会发出报警信号.具体无线终端模块软件设计流程如图4所示.

3.2 网络协调器模块软件设计

网络协调器终端模块进行无线传感网络的建立，等待终端节点的申请，通过后接收终端节点传送的数据，经过串口通信实现与监控平台及GSM模块的数据交互.

模块上电后进行硬件和协议栈初始化，并对相关参数设置，然后开始信道扫描，建立新的无线网络，等待节点入网请求，在有节点加入网络时分配网络地址，若是节点发送数据，则将数据发送至GSM模块和上位机平台处理.具体网络协调器模块软件设计流程如图5所示.

4 系统检测与分析

为验证系统有效性，以芜湖市鸠江区垃圾回收站进行数据采集.采用甲醛和温湿度传感器进行检测，检测数据如图6、图7所示.

由图6可知，垃圾回收站的甲醛浓度维持在0.02～0.05 mg·m-3之间，虽然没有达到国家规定标准0.08 mg·m-3，但是本次测量仅在10：00-18：00时的时间内，如果垃圾堆放过多、时间较长，甲醛体积浓度会不断上升，将会对环境及人体带来危害，所以实时检测尤为重要.

图5网络协调器模块流程图

Fig.5 Network coordinator module flowchart

图6 垃圾回收站甲醛浓度检测曲线Fig.6 Formaldehyde concentration detection curve of garbage recycling station

图7 垃圾回收站温度检测曲线Fig.7 Temperature detection curve of garbage collection station

由图7可知，垃圾回收站的温度变化在5～10℃之间，中午12时、13时温度较高，结合图6可以看出，温度的变高会导致甲醛体积浓度的增加，这是由于温度的升高使垃圾的挥发进一步加快.

5 结语

本文研究了在垃圾回收站中运用物联网技术实现环境检测，系统中不仅能够采集温湿度、有毒有害气体的检测，还具有GPS定位和GSM信息通信功能，大大增强了系统的实时监控能力，并且采用ZigBee技术具有高可靠性的数据无线传输.系统设计进一步改善了垃圾回收站环境的检测，具有设计简单、高可靠性、稳定性等特点.本设计还可以进一步扩展用于甲烷、甲硫醇、甲胺、甲基硫等可燃有毒气体的采集，具有一定的应用价值.