基于物联网的灭烟柱电控系统设计

2022-09-07刘建福吴小梅

新型工业化 2022年6期

刘建福，吴小梅

延安市烟草公司宝塔分公司，陕西延安，716000

0 引言

近年来，我国经济建设取得了辉煌成就，精神文明建设的力度也在不断加大，各城市都在争创文明城市。市容市貌是城市卫生和城市文明的重要标志，因此各地都在公共场合安装了灭烟柱，以达到“烟头不落地、城市更美丽”的效果。烟蒂被投入灭烟柱后进入收集桶，因为缺乏氧气而熄灭，避免了因为继续在空气中燃烧产生二手烟，危害他人健康。环卫工人定时清理收集仓中的烟蒂，可以解决随意丢弃烟蒂的问题。

美国著名设计师及艺术理论家埃罗·沙里宁说过：“让我看看你的城市，我就能说出这个城市居民在文化上追求的是什么[1]。”以往的灭烟柱只提供灭烟和收集烟蒂的功能，随着社会文明的进步，控烟的方式也在变化，从以往告知烟民“吸烟有害健康”，转变为引导并规范烟民的行为，降低了二手烟对环境的污染程度，避免了乱扔烟蒂给环境和公共安全带来的危害。物联网技术的蓬勃发展和人工智能算法日趋强大[2]，为设计新型的灭烟柱提供了技术储备。本次设计了一款基于物联网的智能灭烟柱，不仅有传统灭烟柱的灭烟和收集烟蒂的功能，还通过综合运用智能交互技术、机器视觉技术和物联网技术，达到引导烟民规范自己的灭烟和点烟行为、减小环境污染、消除消防隐患、降低环卫工人劳动强度和便于废物回收的效果。

1 总体设计

智能灭烟柱可以布置在走廊、大厅等室内场合，也可以布置在广场、路口等人流密集的室外。为了尽量降低能耗，可以使用光伏板充电、换电和无线充电并行的方法保证电控系统的供能。光伏板布置在正立面、侧立面和顶面，电池仓位于立柱的底部，顶部是电控仓，收集仓位于中部。整个灭烟柱的底座是一个AGV小车。随着太阳照射角的变化，AGV带动灭烟柱旋转，让光伏板始终正对阳光，从而提高光电转换效率。电控仓的四个立面安装有4个摄像头，通过对获取的图像进行识别，判断周围的人数，触发系统进入或离开休眠模式，最大限度节约电能。还可以通过远程传输视频的方式，以远程遥控的方式行走到集中换电区域或无线充电区域，完成换电或充电。

烟民把烟蒂投入灭烟柱时，灭烟装置的翻板克服弹簧的反力被烟蒂推动，收集仓盖板随之打开。松开烟蒂后，烟蒂落入收集仓，收集盖板复位，烟蒂因缺乏氧气而熄灭，二手烟也因为收集仓密闭无法离开收集仓。作为对烟民正确投放烟蒂的奖励，播放语音进行鼓励。当需要点烟时，引导烟民到灭烟柱的点烟模块进行点烟，并在触摸屏上播放新闻、健康小常识或公益广告，从而避免在禁止吸烟的区域点烟和吸烟。作为对烟民没有在禁烟区域点烟的鼓励，不仅免费使用点烟功能，还可以通过手机扫描触摸屏上的二维码，通过识别身份进行积分，累积后可以领取保健类的小礼品。

本次设计的智能网联灭烟柱，系统总体结构图如图1所示。

为确保系统正常运行，在最顶层的应用层设置有总监控室，总监控室通过互联网连接到云服务器，系统维护人员可以通过电子看板监控所有灭烟柱的实时状态；在底层的感知层，安排了换电/充电区域的值班人员，完成换电/充电、清理和日常维护工作，也在灭烟柱的布置区域对接了环卫人员，完成清理工作。

灭烟柱作为物联网的终端，除了和周围的人通过触摸屏和语音进行交互以外，还可以把实时监控的各种参数传送到云服务器，系统维护人员可以通过手机端或电脑端查看布置在不同地理位置的灭烟柱采集的各种参数。当烟蒂收集数量达到清理阈值时，灭烟柱向云服务器发送申请清理警报，云服务器向距离灭烟柱最近的环卫工人发送清理工单，如果环卫工人附近有多个需要清理的灭烟柱，则在工单中添加最优化的清理路径；如果灭烟柱需要清理，且临近换电/充电时间点，则给云服务器发送换电/充电申请，由总监控室的值班人员远程操控AGV，带动灭烟柱到换电/充电区域，由值班人员完成清理工作以后，进行换电或充电。环卫工人或值班人员打开收集仓的仓门，清理烟蒂并关上仓门时，烟蒂数量清零。

通过对烟蒂数量和电池电量的实时监测、远程数据传输和云服务器的人工智能调度程序，最大程度降低清理工作量，同时通过自诊断算法实现灭烟柱的健康管理，实现“上医治未病”的效果，在系统出现故障前通过对参数的诊断发现隐患并及时维护，从而确保系统的高可靠性。

2 模块设计

灭烟柱的终端包含8个功能单元：灭烟次数与清理次数的计数单元、点烟电路的驱动单元、触摸屏和语音播报的人机交互单元、人脸识别单元、BMS单元、AGV单元、北斗定位单元和GSM/GPRS数传单元。

电控系统模块关系如图2所示。

系统中各功能单元中的模块使用的协议差别较大，触摸屏、语音模块、人脸识别模块和数传模块都使用各自的自定义协议，AGV单元和定位模块使用Modbus协议。为了适应多种协议，选用STM32F103C8T6单片机为主机控制器[3]。从机则使用STC15W4K58S4单片机，主控制器的4个串口上搭建4条485总线，可以同时适应4种不同的协议。串口1运行Modbus协议，挂载3个从机和定位单元。为了便于后续功能扩展，把计数模块和驱动模块挂在1号从机上。在360°范围布置了4台摄像机，对应的4个人脸识别模块通过2号从机统计灭烟柱周围的总人数。3号从机接收主机发送的运动控制命令，给驱动器发送PWM信号或制动信号，控制轮毂电机转动或停止。定位单元直接通过Modbus总线向主控制器发送定位信息。串口2通过自定义协议向语音模块发送需要语音播报的字符串。串口3通过自定义协议和触摸屏交互。串口4通过自定义协议和数传单元交互数据。

2.1 计数单元的设计

通过记录灭烟次数和清理次数，可以实时监测收集仓中烟蒂的数量，当烟蒂数量超过阈值后，发出信息让环卫人员清理，从而降低环卫人员的劳动强度。

选用4线制NPN型光电开关作为传感器，白色线在遮光时输出电源电压，黑色线在入光时输出电源电压。灭烟板采用翻板结构，烟蒂推动灭烟板时触发光电开关，烟蒂落入收集桶后，灭烟板由弹簧带动复位，光电开关随之复位。用白色线作为灭烟计数的信号线，在灭烟板被顶开又复位时产生下降沿。如果清理仓的仓门被打开时，门上的挡片不遮挡光电开关的光路，光电开关复位，清理结束关闭仓门时，光电开关动作。用黑色线作为清理计数的信号线，在仓门打开又关闭时产生下降沿。下降沿信号发送到控制器的中断引脚后，引发中断并修改计数值。

2.2 驱动单元的设计

为了规范烟民在公共场合的吸烟行为，增加了点烟模块。通过手机可以查到附近灭烟柱的地理位置，可以到灭烟柱免费点烟，从而引导烟民离开禁止抽烟的区域。

使用继电器驱动两路高压放电电路，在两对点火针上同时拉弧，通过预先调整点火针的位置，两路电弧能够互相吸引并靠近，形成X型电弧。使用限位机构让送入的烟头位于X型电弧的交叉点上，能够迅速产生足以点烟的热量。

2.3 人机交互单元的设计

选用迪文的7寸触摸屏，显示灭烟次数、清理次数、点烟次数、环境温度、剩余电量等实时参数。

同时本研究结果显示，增强MRI联合CT扫描对良性和恶性骨肿瘤诊断准确性分别为95.24%和96.00%，明显高于CT扫描和增强MRI(P<0.05)，而增强MRI对良性和恶性骨肿瘤诊断准确性略高于CT扫描，但差异无统计学意义(P>0.05)。增强MRI联合CT的敏感度、特异度和阴性预测值明显高于CT扫描和增强MRI(P<0.05)；而阳性预测值无明显差异(P>0.05)。表明增强MRI联合CT扫描可显著提高良恶性骨肿瘤诊断准确性，敏感性和特异性。涂咏涛等[12]发现双螺旋CT联合MRI诊断能够有效提高患者膝部骨肿瘤临床检出率，与本研究结果一致。

控制器通过UART接口和触摸屏交互，使用115200的波特率。每次传送10位数据：1个起始位、8个数据位（低位在前高位在后）和1个停止位。数据帧格式如表1。

在数据帧中，帧头固定为：0x5A 0x A5；数据长度是指令、数据和校验码的字节数之和；指令用0x82向触摸屏写数据，用0x83从触摸屏中读取数据；数据最大长度是249个字节；校验码使用CRC16校验，也可以选择不使用校验。

表1 迪文触摸屏数据帧格式

触摸屏的变量空间一共1 2 8个字节，其中用户变量区共6 0个字节，地址范围是0x1000～0xFFFF。在设计触摸屏界面时，指定每个控件对应的地址。

系统上电后，控制器用询问版本号的方法发送握手指令：5a a5 04 83 00 0F 01，其中0x000F在系统变量接口区，存放触摸屏系统程序的版本号，如果触摸屏返回：5a a5 06 83 00 0F 01 41 10，说明触摸屏和控制器之间通信正常。用DGUS Tool软件设置点火按钮的变量地址为0x1000，当用户按下点火按钮时，触摸屏向控制器发送数据：5A A5 06 83 10 00 01 00 0A；设置灭烟数量文本框的变量地址为0x1050，控制器向触摸屏发送数据：5A A5 05 82 10 50 00 02，则触摸屏的灭烟数量文本框中显示2。

如果用户使用灭烟柱的灭烟功能，在灭烟板复位时，使用语音模块播放“烟头不落地、城市更美丽”的语音，作为没有随地丢弃烟蒂的鼓励。在室外使用时，当识别到周围人比较多的时候，则播放旋律轻快的歌曲或播放公益语音广告。

控制器通过串行口发送文字、字母或数字实现语音播放，通过发送音效、音量和语速的设置命令改变播放效果。串行通信默认的传输格式是：9600，8，N，1。CN-TTS语音合成模块接收中文的GBK码或者英文字母/数字的ASCII码，并播放相应的语音。在上电初始化完成、开始播放语音和播放结束时，语音模块向控制器发送返回信息。

2.4 人脸识别单元的设计

当灭烟柱被布置在室外时，会遇到连续阴雨天太阳照度不足的情况，当周围人数较少时，系统需要进入低功耗模式。所以判断周围的人数是必备的功能。当有人靠近灭烟柱时，人体感应模块发出触发信号，控制器退出低功耗模式，并通过摄像头拍摄的影像，使用人脸识别算法判断周围的精确人数[4]。

表2 GNRMC 解析

人体感应模块是基于红外热释电技术设计的，被动接收人体发射的10UM的红外线，经菲涅尔透镜增强后传导到热释电元件，热释电元件因温度变化电荷失衡，向外释放电荷，调理电路处理后能检测10米内是否有人靠近。因为热释电元件对温度敏感，所以用内置的温敏电阻补偿环境温度对测量的影响。

人脸识别模块由摄像头和OpenMV Cam H7 Plus组成。人脸识别本质是特征识别，在OpenMV4中已经内置了人脸检测的模型和算法，使用MicroPython编程[5]，使用image模块下的find_features（）特征寻找函数，可以快速实现人脸识别应用。该函数搜索和Haar Cascade匹配的所有区域的图像，并返回一个关于这些特征的边界框矩形元组（x，y，w，h）的列表。若未发现任何特征，则返回一个空白列表。基于Haar特征的cascade分类器（classifiers）是Paul Viola和Michael Jone在2001年论文“Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of Simple Features”中提出的一种有效的物品检测（object detect）方法。它是一种机器学习方法，通过许多正负样例中训练得到cascade方程，然后将其应用于其他图片。算法需要许多正样例（包含人脸的图片）和负样例（不包含人脸的图片）来训练分类器，从这些图片中获取特征（extract features）。人脸识别模块把识别的人数通过串口发送给控制器。

2.5 定位单元的设计

定位功能选用HS6601定位模块，能进行GPS定位和北斗定位的双模定位，将定位信息从RS485 接口以Modbus 协议发送给控制器，默认115200的波特率。定位数据存储在保持寄存器中，地址是40005～40039。控制器发送读取定位数据命令：01 03 00 05 00 23 14 12，定位模块返回：01 03 46 70字节数据校验码。70个字节的数据符合NMEA0183协议，具体含义见表2。

控制器解析返回的数据，截取经纬度信息并保存在环境变量区。

2.6 BMS单元的设计

灭烟柱的四个立面上安装有光敏电阻，通过和标准电阻分压，可以输出和光照强度对应的模拟信号。光伏板输出电压和电池组电压经过取样电阻分压，输出和实时电压对应的模拟信号。STC15W4K32S4单片机集成8路10位的A/D转换器，转换速度可以达到300kHz。通过对4路光强信号的采集和分析，结合定位单元中的地磁偏角，确定灭烟柱当前的地磁偏角，再结合定位单元的经纬度和时间信息，对比经验公式计算出灭烟主应该旋转的角度，由1号从机发送给主控制器，主控制器再发送给3号从机，由AGV单元驱动灭烟柱旋转。当光伏板输出电压高于电池组电压时，供电模式继电器吸合，光伏板给电池组充电，进入光伏充电模式；当光伏板电压低于电池组电压时，供电模式继电器复位，市电充电接口和电池组的电路接通，进入市电充电模式。在市电充电模式中，充电区值班人员可以通过充电接口接通市电，给电池组充电。

2.7 AGV单元的设计

3号从机接收主控制器发送的运动控制命令以后，发出控制速度的脉冲信号和控制启/停、方向的电平信号，ZLAC706低压伺服驱动器根据脉冲信号和电平信号驱动轮毂电机，使用电子差速方式，带动两个从动轮运动。STCC15W4K32S4单片机集成两路PCA模块，可以同时输出两路PWM信号。PWM信号输出到驱动器的PUL-和PUL+端，用PWM的频率控制电机的转速。高低电平信号输出到驱动器的DIR+和DIR-端，控制电机旋转方向。当AGV单元不工作的时候，使用高低电平信号控制驱动器的ERC+和ERC-端，切断电机电源。

2.8 数传单元的设计

数传单元选用MZH001模块完成基于GSM/GPRS的数据传输。该模块以STM32F103C8T6单片机为核心，以EC20 GPRS模块为通信渠道，完成数据的远程传输。

7模的EC20模块内置TCP/IP协议，具备全网通功能。模块上电后，电源指示灯先点亮，延时过后进入寻网状态，网络指示灯以每秒1次的速度闪烁，当网络指示灯变为以每2秒1次的速度闪烁时，表明寻网成功，模块进入正常工作状态。模块通过485接口和控制器进行交互，接收到控制器发送的环境变量后，把数据上传到云服务器。