基于NB-IoT的垃圾桶溢满检测系统设计与实现

秦苗苗，吕凯旋，姜冰冰

（郑州轻工业大学，河南 郑州 450000）

0 引 言

近年来，经济飞速发展，城市化程度不断提高，导致垃圾数量呈爆炸性增长，进而导致严重的垃圾管理问题。这主要是由于垃圾监测和管理流程不当造成的。随着物联网技术的发展，技术人员可以利用物联网技术将垃圾桶和互联网相联系，传递信息，从而对垃圾桶实行智能化监控，解决垃圾溢满影响城市形象的问题。

传统的无线信息传输技术，如GPRS、蓝牙、ZigBee等尽管在功能上均能够完成基本工作，但劣势在于功耗大且有效传输距离短，不利于长期使用，故采用具有明显低功耗和低成本优势的NB-IoT（窄带物联网）无线传输技术解决上述问题。通过物联网技术监管垃圾桶，完善溢满检测系统，提高环卫工作的工作效率，减少环卫工作中资源的浪费。

本文设计的基于NB-IoT的垃圾桶溢满检测系统包括硬件部分、软件部分和IoT平台部分。硬件部分主要研究主控模块的控制方式以及物联网技术的运用方法；软件部分主要研究NB-IoT网络的通信方式；IoT平台部分主要研究平台的搭建方式以及简单的数据可视化方法。

1 系统设计方案

本系统采用干电池为电路系统供电，以垃圾桶桶盖为安装载体，通过MSP430主控模块控制实用激光测距传感器获取桶内垃圾余量，通过控制实时时间模块获取时间，利用NB-IoT通信模块通过基站将数据发送到IoT平台。系统组成如图1所示。

图1 溢满检测系统框架

1.1 系统硬件设计

本系统的硬件组成包括：供电系统模块、主控模块、桶内测距模块、NB-IoT通信模块、实时时间模块，如图2所示。供电系统模块为溢满检测系统的硬件供电，主控模块是硬件系统的控制模块，控制各种逻辑算法以及系统运行流程。测距模块电路主要针对传感器的轮询读取电路进行设计，采用逻辑开关芯片作为系统选通传感器的模拟开关。

图2 溢满检测系统硬件模块设计

供电系统模块为溢满检测系统的硬件供电，本次设计采用干电池，可根据微控制器的型号来确定干电池的电压（3 V/5 V）。主控模块是硬件系统的控制模块，控制各种逻辑算法以及系统运行的流程。桶内测距模块的目的是采集垃圾桶内垃圾余量数据，这是本次设计中进行溢满判断的基础数据。数据上传到IoT平台后通过一系列算法即可进行溢满检测。通信模块的主要作用是在微控制器的控制下把数据上传到IoT平台，并且在系统进入低功耗模式时，通信模块也要配合低功耗模式进入休眠状态。实时时间模块具有确定实时时间的功能，为每个数据打上时间标记，便于分析和管理。

1.2 系统软件设计

本系统软件包括系统初始化部分、TOF10120激光测距部分、PCF8563实时时间获取部分、M5311 NB-IoT通信模组上传与接收数据部分。系统流程如图3所示。

图3 系统流程

该系统实现的功能如下：

（1）初始化部分：单片机初始化，各种功能对应寄存器的初始化配置以及函数的初始化声明等；

（2）PCF8563获取实时时间部分：系统硬件设备上传的数据包含实时时间，所以需要在上传数据之前获取准确的时间，PCF8563芯片与单片机间进行IC通信把实时时间传输给单片机主控模块；

（3）TOF10120激光测距部分：TOF10120激光测距模块与单片机进行UART通信，把原始数据传输给单片机主控模块，共有4个激光测距模块，因此需要进行传感器数据的轮询读取；

（4）M5311 NB-IoT通信模组通信部分：M5311 NB-IoT通信模组与单片机间进行UART通信，与IoT平台通信首先需要通过SIM卡入网，NB模组联网上报数据的过程根据AT指令完成，单片机通过UART通信将AT指令按照一定的逻辑顺序发送给NB-IoT通信模组，控制NB-IoT通信模组把数据上传到IoT平台。

1.3 IoT平台设计

IoT平台需要在服务器中搭建，微控制器通过NB-IoT通信模块将数据上传到IoT平台，同时接收IoT平台下发的数据。IoT平台将接收的数据经过处理后进行数据的可视化操作，方便用户实时监管。硬件上传的原始数据首先存放到后端的某一位置，接着经过一系列算法解析后，把需要用到的数据提供给前端，最后在UI界面上进行数据的可视化处理，用户就可以从UI界面上看到处理后的数据。数据下发与上传是完全相反的流程，在下发数据控制硬件系统时，首先从UI界面进行操作，写入某些数据或按下某些按钮后，经过前后端的交互，后端部分把数据进行封装，转化为JSON格式发送给硬件系统，如图4所示。

图4 溢满检测系统IoT平台部分设计

2 溢满检测系统联调测试

通过串口检测工具监控NB-IoT通信模组和单片机之间的通信，以此来测试溢满检测系统的功能能否成功实现。主要进行两次数据交流测试，分别是单片机上传原始数据到平台和平台对硬件系统下发控制数据，硬件系统按照平台下发的数据配置相关模块进行工作。

2.1 上传数据流程测试

确定模组正常工作之后，硬件系统连接服务器后就可以上传封装好的JSON格式数据到IoT平台，上传数据成功后，硬件系统需要接收服务器回传的数据。上传数据部分的串口工具监测示意图如图5所示。

图5 上传数据部分的串口监测示意图

2.2 系统接收服务器回传配置数据的测试

系统硬件成功连接到服务器后，请求服务器下发配置数据，以帮助系统的硬件部分进行对时，即确定当前的时间。之后IoT平台会传输具体数据到系统的硬件部分，完成数据的接收工作后，需要清除HTTP连接。系统接收服务器的数据回传配置部分串口工具监测示意图如图6所示。

图6 数据回传配置部分串口工具监测示意图

3 结 语

本文设计的垃圾桶溢满检测系统为智慧城市的卫生环境治理提供了有效的方法。该系统选用了超低功耗的主控MSP430FR2433单片机，配合低功耗M5311 NB-IoT通信模组，使得系统在正常工作时所使用的电量极低，同时在空闲状态时进入低功耗模式，使得持续耗电量维持在较低水平。系统拥有广阔的使用空间与较好的市场前景。