基于窄带物联网的垃圾溯源系统设计

李金伦,梁红波,罗明璋 (长江大学电子信息学院,湖北 荆州434023)

谢小东 (中国石油长庆油田分公司物资供应处，陕西 咸阳 745000)

随着人类社会的发展和生产力的进步，人们的物质生活得到了极大的丰富，但随之而来的社会问题也日益凸显，垃圾处理问题便是其中之一。以生活小区为例，其产生的垃圾量大，种类也较为繁杂，有可回收的金属、塑料、玻璃、纸张，有不可回收的厨余垃圾以及有毒有害废物(如一次性电池，节能灯管)，甚至还有建筑垃圾[1,2]。为了增强居民垃圾分类的意识、提高可回收垃圾的利用效率、减少垃圾处理带来的环境污染以及方便统一管理，必须要在源头上解决垃圾分类难的问题[3]。为此，笔者结合二维码以及窄带物联网技术，设计了一种具有扫码开门、语音播报、垃圾自动称重、数据实时上传和安全防护装置等功能的智能垃圾溯源系统。该系统不仅可以追踪记录每家每户的垃圾投放行为及相关数据信息，而且可以通过大数据分析实现垃圾清运分类化、精准化，提高工作效率和节约人力物力，同时通过积分兑奖等措施对投放可回收垃圾重量较多的用户给予奖励，以此来提高居民垃圾分类的意识[4]。

1 系统整体架构

系统整体结构示意图如图1所示，包含若干个智能垃圾箱、控制终端、通信模块、云端服务器以及用户终端设备。云端服务器为居民使用的垃圾袋进行编码[5～7]，生成并制作4种不同颜色的垃圾分类二维码和垃圾袋，分别对应可回收垃圾(绿色)、厨余垃圾(蓝色)、有害垃圾(红色)和其他垃圾(灰色)。每一个垃圾袋都贴有唯一二维码，该二维码与用户身份信息相对应[8]。居民在进行垃圾投放时，只需识别垃圾袋上的分类二维码即可自动打开对应的垃圾箱，做到精确投放。系统可通过垃圾袋上的二维码信息做到快速溯源，准确追踪到垃圾投放者。

垃圾箱内部嵌有称重传感器、温度传感器以及测距传感器[9～11]，可以实时监测箱内的相关状态并在状态异常时自动触发报警机制；箱内还安装有减速电机及液压杆，用于控制垃圾箱门的自动开启及关闭。

控制终端是整个垃圾分类系统的核心，主要作用是获取用户的二维码信息，语音播报，驱动箱门的开关，采集并处理传感器数据，控制通信模块与云服务器进行数据交互[12～14]。通信模块的主要功能是将控制终端处理后的数据上传至云服务器并接收云服务器的下行数据，实现智能垃圾箱与互联网的连接[15]。用户可以通过手机、电脑、平板等终端设备登录系统，实时查看相关数据。

2 系统硬件设计

系统硬件功能框图如图2所示，以MCU为控制终端核心，外接二维码扫描器、语音模块、通信模块、传感器模块、自动报警模块及执行机构(减速电机、液压杆和电磁锁)。云端为阿里云服务器，用于与通信模块进行数据交互。无线通信模式采用面向连接型的TCP协议，数据传输稳定可靠。

该系统主要分为3层：感知层、控制层和传输层。感知层主要通过二维码扫描器、传感器模块采集相关数据；控制层通过控制终端处理感知层数据并驱动语音模块和相应的执行机构；传输层利用通信模块将数据上传并接收云端的下行数据，实现控制层与云平台的互联。

2.1 感知层实现

感知层中的设备主要为二维码扫描器、称重传感器、温度传感器和测距传感器。

二维码扫描器的作用是获取垃圾袋上的二维码信息。二维码由系统服务器统一生成，与用户身份相绑定。

称重传感器采用专用的24位AD转换芯片HX711，利用电阻应变效应将力学量转换为电信号。用户每一次投放垃圾后，称重传感器都会计算出垃圾的净重，用于后期的积分兑换依据。

温度传感器的作用是感知并获取智能垃圾箱内的温度信息，是垃圾分类系统的安全检测模块之一。当箱内温度超过设定阈值时，向管理人员发出安全警告，用于及时发现垃圾箱内诸如烟头等引发的火灾。

测距传感器是为了监测垃圾箱剩余容量大小，使用超声波测量垃圾距离顶部的距离，当距离小于一定值时认为垃圾箱已满，对应垃圾箱的警示灯亮起，并通过传输模块将状态信息发送至云端。

2.2 控制层实现

控制层中的MCU采用STM32F103系列芯片，该芯片使用3.3V电源供电，Cortex-M3内核，CPU最高速度达到72MHz，具有丰富的外设资源。芯片具有功能强大、运行效率高、集成度高、价格低廉且相对稳定等优点，专门为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式系统设计。在该系统中，控制层主要通过MCU对二维码扫描器和传感器采集的数据进行接收与处理、驱动语音播报模块、控制箱门的开关以及对传输模块进行初始化设置和数据交互。

2.3 传输层实现

传输层使用的通信模块是基于NB-IoT技术的BC26模块。NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)的窄带物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有覆盖广、连接多、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT使用License频段，与现有网络共存，故易于部署，NB-IoT主要由用户设备终端、NB-IoT 基站、核心网、物联网云平台和行业应用设备组成。用户设备终端通过安装相应 SIM 卡的方式接入 NB-IoT 网络，并实现与运营商所部署的NB-IoT 基站之间信息收发，并进一步经过核心网实现基站与物联网云平台的连接，物联网云平台完成各类业务的运算与处理，所得到的结果可反馈到用户设备终端，也可使用行业应用设备读取。

系统采用的BC26是一款高性能、低功耗的NB-IoT系列模块，基于联发科MT2625芯片平台研发，支持全球频段。通过NB-IoT无线电通信协议(3GPP Rel.13 和 3GPP Rel.14)，BC26模块可与网络运营商的基础设备建立 2.4GHz 的通信网络。BC26模块通过串口与控制层的MCU连接，由一系列的AT指令进行初始化和数据交互。

3 系统软件设计

该系统将物联网技术应用于垃圾溯源领域，用户在系统服务器后台注册成功后，可进行垃圾分类的在线指导、垃圾袋的申领。用户将厨余垃圾、有害垃圾、其他垃圾以及可回收垃圾装入垃圾袋中并贴上不同颜色的垃圾分类二维码标签，然后使用该二维码接触扫码器，扫码器读取二维码中的信息并通过串口发送给MCU，MCU收到后通过BC26模组以无线传输的方式将数据上传至云端。云端服务器接收到数据后进行解析，如果二维码中的用户信息在该系统的Web端注册过，服务器下发应答包给MCU，MCU收到后通过语音播报提醒用户按键选择不同类型的垃圾箱，并驱动执行机构打开箱门，使用户可以投放垃圾，一段时间后箱门自动关闭。垃圾箱底部的称重传感器称量垃圾重量后通过BC26模组将用户选择的垃圾箱类型编号和垃圾重量上传至云端保存并显示。系统的程序流程图如图3所示。

4 系统技术特点

1)结合“互联网+”技术，通过将垃圾袋上的二维码与用户信息绑定，能够做到有效溯源，精准定位。

2)语音播报及自动开关门装置使垃圾投放更加自动化与便捷，方便各个年龄段的用户使用。

3)在垃圾箱内嵌入温度传感器，能够实时监测垃圾箱内的温度信息，防止意外产生。

4)利用称重传感器记录每一次投放的垃圾重量并实现满载报警功能，这样既方便系统统计数据，又可以提高垃圾车的运输效率。

5)在Web端，工作人员可以对垃圾回收数据进行总结与分析，精确追踪到每一袋垃圾是哪一位用户投放并获取投放的垃圾重量。系统通过可回收垃圾的重量计算出相应积分返还给用户，用户可通过积分兑奖，以此提高用户进行垃圾分类的积极性。对于未能正确投放垃圾的用户，系统可通过短信等方式给予一定的提醒。同时，对于投放正确度高的用户，系统将进行积分排名并进行额外奖励。逐步建立完善的环保积分体系，引导居民建立垃圾分类习惯。

5 结语

垃圾智能化处理是垃圾管理未来的发展趋势，该系统利用二维码和窄带物联网技术进行垃圾溯源，通过有偿的方式鼓励市民正确分类投放垃圾，将可回收垃圾回收再利用，实现了多站点集中管理、数据可视化、数据统计与分析一体的智能垃圾溯源管理系统。系统设计符合国家绿色可持续发展的战略要求，有着广阔的应用市场，具有一定的经济效益和社会效应。