基于物联网技术的水面垃圾清理器智能系统设计与实现

李力 张赐煜

关键词：物联网；智能系统；水面垃圾清理器

1引言

公园湖泊和城市景观河道是人们业余休闲活动的主要场所，由于各种原因，水面经常漂浮着塑料瓶、泡沫、树叶、小树枝、塑料袋等各类垃圾，没能及时清理，影响周围环境。垃圾长期漂浮在水中不但会产生病原微生物，在腐败过程中还会产生大量的酸性和碱性有机污染物，并会将其中的重金属溶解出来，形成有機物质、重金属和病原微生物等污染源。这不仅会降低水质量，同时会影响水域的观赏性。此外，垃圾是蚊、蝇的滋生地，其含有许多致病微生物，这些因素必然会影响社会广大市民的身体健康。

目前，我国水面垃圾的打捞水域可分为大型水域和观赏性水域。在大型水域通常采用垃圾打捞船进行打捞，而观赏性水域（如公园湖泊、城市景观河道等）则通常采用人工打捞的方式进行打捞。垃圾打捞船体积庞大，靠近岸边的垃圾仍依靠人工打捞。所以，无论哪种水域，人工打捞都是不可避免的，人工打捞通常难度较大、费时费力效率低，且往往是周期性打捞，漂浮垃圾不能被及时打捞，直接影响城市形象和生态文明建设。

据《中国环境新闻网》数据显示，2018年我国水面垃圾处理行业规模达42亿元，并以平均每年49.2%的增长率快速增长，预计2025年水面垃圾处理行业规模将达145亿元。目前，水面漂浮垃圾治理方法普遍是清洁人员利用船只配合打捞工具在污染水域巡航打捞。该方法不仅工作效率不高，而且清洁工的劳动强度大，易受烈日寒冬的影响，并且腐臭环境对清洁工的身体有不良影响。少部分水面垃圾清洁设备只能依赖进口，价格昂贵。

传统水面垃圾清洁器一般位置固定、不方便移动，需人工调整位置对准漂浮垃圾聚集区，还需要人工定时查看清理。虽然国内外已经开发出比较先进的水面垃圾清理装置，但是体积较大，结构复杂且难以携带，不利于面积较小或形状复杂多变的城市河道、景观水池、饮用水库的垃圾清理，而且这些装置绝大多数使用燃油驱动，对需清理的水域会造成二次污染。因此，开发一款能够降低水面漂浮垃圾打捞成本、降低打捞难度、提高水体质量的设备，填补水面垃圾清洁智能设备的空白，是十分必要的。水面垃圾清理器——“水面清道夫”水面清洁垃圾桶就是基于此而研发的。

2产品工作原理和硬件设计

本项目研制的“水面清道夫”是一款结合物联网技术的水面垃圾清洁设备，主体由内桶、外桶以及水泵构成，通过水泵在桶内形成微漩涡，将附近的漂浮物吸附进桶内，实现垃圾自动收集，并通过物联网技术进行智慧监控，将数据反馈至用户手机，整个垃圾清理过程只需人工定期清理网兜内垃圾，即可保证设备正常工作运转。该设备耗电量小，清理效率高，能清理湖泊、小河沿岸等水域的漂浮垃圾，其系统结构框图如图1所示。

产品物联网系统的通信层面使用了NB-IoT技术配合MQTT协议。为了更好地搭配NB-IoT技术，传输协议层使用了MQTT协议，MQTT是专门针对物联网开发的轻量级传输协议。工作在TCP/IP协议上，由TCP/IP协议提供稳定的网络连接；MQTT协议针对低带宽网络，低计算能力的设备，做了特殊的优化，使其能适应各种物联网应用场景。目前，MQTT拥有各种平台和设备上的客户端，已经形成初步的生态系统，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

2.1产品工作原理

产品主体由内桶、外桶以及水泵构成，智能控制部分由STM32单片机主控，通过水位传感器等获取水域水位、流速等信息，利用电动推杆控制外桶的升降，外桶可根据水位自动调节高度。底部装有抽水泵，水进入垃圾桶后，内桶由于受到浮力会升起至高于水面，然后水泵将水排出，使漂浮垃圾间歇性地进入滤网内桶中，解决了传统的水上垃圾桶漂浮垃圾容易再次随着水流走的问题。

2.2内桶自动浮起设计

内桶上半部分使用泡沫材料充当浮子，随着水不断涌人桶内，内桶随浮力的增加而上升，直到高于水平面后，水无法再进入。此时抽水泵将水抽出，内桶随桶内的水减少而下降，水会再次进入桶内。

2.3内部防水设计

底部排水采用单向阀门设计，有效防止水从底部渗入，防止水渗入腐蚀设备，外观设计采用圆梯形，以降低水对外筒的浮力影响，大大提高设备使用寿命。

3管理系统设计

水面垃圾清理器智能系统主要由硬件端和软件端组成。其中，硬件端中控机负责获取服务器指令队列、下发指令至执行器和上传状态机中的数据；执行器模块控制电机运转、维护设备动力以及处理中控机的指令：状态机模块负责定时上报设备参数和意外预警。软件端按功能划分为数据库端、服务端和客户端。数据库端处理设备数据和用户数据，服务端主要用于收发数据和储存指令队列，客户端用于用户身份验证、设备操作和设备监听。

3.1运行设计

3.1.1整体框架

在对基于物联网技术的水面垃圾清理器智能系统进行设计时，主要以整个处理功能所呈现出的诉求点为基础，构建基于智能处理与终端操控部件相整合的系统框架，整体框架如图2所示。

框架要点如下：（1）用户点击小程序发起HTTPrequest请求，该请求被提交到DispatcherServlet（前端控制器）；（2）由DispatcherServlet请求一个或多个HandlerMapping（处理器映射器），并返回一个执行链（HandlerExecutionChain）;（3）DispatcherServlet将执行链返回的Handler信息发送给HandlerAdapter（处理器适配器）；（4） HandlerAdapter根据Handler信息找到并执行相应的Handler（常称为Controller）；（5）HandlerAdapter接收到ModeIAndView对象后，将其返回给DispatcherServlet；（6）DispatcherServlet接收到ModelAndView对象后，向客户端发起请求ViewResolver（视图解析器）并对视图进行解析；（7）ViewResolver根据View信息匹配到相应的视图结果，并返回给DispatcherServlet；（8）DispatcherServlet接收到具体的View视图后，进行视图渲染，将Model中的模型数据填充到View视图中的request域，生成最终的View（视图）；（9）视图负责将结果显示到小程序。

3.1.2运行设计

（1）执行流程

执行流程为“小程序一服务器_设备”。

①小程序向服务器发送执行命令（附带目标设备信息），服务器记录并等待目标设备执行。

②设备定时向服务器获取执行列表并执行命令。

（2）数据流程

数据流程为“小程序－服务器－设备”。

①设备向服务器发送执行反馈或心跳请求（请求内容包括设备状态、水质信息）。

②服务器记录设备上传的信息，标记执行反馈并将信息储存到服务器。

③小程序可通过相应服务器获取各设备信息。

（3）通信协议

通信协议为“小程序－HTTP－服务器-MQTT－设备”。

检测终端可以检测装置容量、水位等信息，并独立于收集装置。微信小程序和服务器之间使用HTTP协议，服务器和清洁设备之间使用MQTT协议。

（4）网络

网络为“小程序－4G－服务器-NB-IoT－设备”。

检测终端可以检测装置容量、水位等信息，并独立于收集装置。检测终端与信息接收终端形成双向通信，通信采用4G通信网络。服务器和垃圾清洁器之间通过NB-IoT建立联系，实现小程序对清洁设备的智能控制。

（5）单片机控制

通过STM32单片机、水位及水质传感器、NB-IoT通信模組等硬件，结合软件开发技术，实现基于物联网技术的设备智能化。小程序通过HTTP协议发送控制水泵请求，服务器记录请求并等待执行，设备通过MQTT协议向服务器发送获取执行报文（次/30s），获取执行操作后反馈给服务器执行状态及结果，服务器获取反馈后标记请求状态将其存人数据库。

（6）设备状态监听

设备定时（1次／分钟）向服务器发送心跳请求，其中附带设备状态信息，包括但不限于电量、容量、水质等信息，服务器接受心跳请求记录设备状态。小程序可通过远程连接服务器的数据库获取设备状态信息。

（7）姿态调整

小程序向服务器发送姿态调整请求，服务器进入实日寸连接状态并请求设备进行实时连接，设备获取服务器请求进入姿态状态，更改获取执行报文时间间隔1s．姿态调整完毕后小程序向服务器发送关闭姿态调整请求，服务器断开设备实时连接，设备恢复获取执行报文时间间隔30s。

（8）消息推送机制

主要分为三个模块来开发，即Comet，Web，Message。

Comet模块：负责消息排队、向客户端程序推送数据；系统依据消息ID顺序获取消息，消息推送后在Comet中排队，然后发起RPC给Message，以实现消息存储。

Message模块：负责消息的存储和读写；接收来自Comet模块的消息并进行持久化，或接收Web模块的读取消息并请求获取离线消息。

Web模块：负责节点询问、离线消息获取及后台节点管理等；节点询问主要依据客户端的订阅Key -致性hash计算出连接的Comet节点地址：离线消息通过Web接口返回给客户端，但消息的读取则通过RPC发送给Message模块，尽量保证职责单一。

4结束语

基于广东科学技术职业学院创新创业训练计划，项目团队研发了基于物联网技术的“软硬结合”的水面清洁设备，其清洁效率高、简单便捷、使用成本低。