基于物聯(lián)網(wǎng)的垃圾回收站環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛 鑫,蔣 玲,陳慧蓉*,邱萌萌

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000;2.安徽機(jī)電職業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

面對(duì)人口增長(zhǎng)、生活節(jié)奏的不斷加快，物品的種類和數(shù)量呈急劇上升的趨勢(shì)，越來(lái)越多的生活垃圾和工業(yè)垃圾伴隨在人們身邊，城市生活的垃圾量、清理量不斷加大，給城市垃圾的管理和處置帶來(lái)了巨大的壓力，進(jìn)一步導(dǎo)致了堆積在垃圾回收站的垃圾沒(méi)有得到有效、及時(shí)的處理.垃圾數(shù)量的增加，伴隨著環(huán)境中溫度、濕度的變化，加速生活垃圾中有機(jī)物的腐爛分解、工業(yè)垃圾中部分材料氣味的揮發(fā)等，不可避免地將產(chǎn)生大量的環(huán)境污染.垃圾回收站的污染源主要來(lái)自進(jìn)廠的原始垃圾，垃圾運(yùn)輸車在卸料過(guò)程中和垃圾堆放在垃圾儲(chǔ)坑內(nèi)散發(fā)出有毒有害氣體，主要包括硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)、甲醛等，這些氣體的擴(kuò)散將危害城市的人體健康.垃圾回收站的有毒有害氣體檢測(cè)能夠及時(shí)提醒垃圾的處理，更是未來(lái)垃圾回收站環(huán)境檢測(cè)的一種必然趨勢(shì).

本系統(tǒng)以ZigBee技術(shù)為核心，結(jié)合無(wú)線核心模塊組建了一套數(shù)據(jù)傳輸靈活、成本較低、可靠性高的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)對(duì)垃圾回收站中的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 ZigBee結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分.通過(guò)激光掃描器、射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器等傳感設(shè)備，按相應(yīng)的協(xié)議，將所有物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交互和網(wǎng)絡(luò)通訊，達(dá)到實(shí)現(xiàn)集智能化識(shí)別、GPS、實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理于一體的網(wǎng)絡(luò)[1-2].

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)采用的路由協(xié)議主要有ZigBee、WSN等，其中ZigBee是目前運(yùn)用較多的傳輸協(xié)議，其可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間相互自組網(wǎng)，具有良好的可延續(xù)性和靈活性，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收發(fā)，為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息不斷傳輸提供了很好的支撐[3-4].

ZigBee具有傳輸距離近、自動(dòng)組網(wǎng)、功耗較低、成本較低等特點(diǎn)，一般運(yùn)用于遠(yuǎn)程控制和智能控制領(lǐng)域，并且能夠嵌入各種設(shè)備技術(shù)，適用于垃圾回收站環(huán)境檢測(cè)[5].

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

圖2 無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Wireless terminal node structure diagram

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

垃圾回收站環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)控平臺(tái)和ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)兩部分組成.其中ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

通過(guò)無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)采集垃圾回收站中溫濕度、硫化氫、甲醛、氨氣及二氧化硫氣體體積濃度，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并最終將數(shù)據(jù)傳遞至監(jiān)控平臺(tái).如果檢測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)所設(shè)定的危險(xiǎn)上限將會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)自身的GPS定位模塊進(jìn)行定位，利用協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)定位指令、定位坐標(biāo)的信息傳遞.系統(tǒng)中GSM通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的短信發(fā)送[6]，實(shí)時(shí)為環(huán)境監(jiān)護(hù)人員提供準(zhǔn)確信息，及時(shí)處理來(lái)減少甚至避免有害氣體帶來(lái)的危害.

監(jiān)控平臺(tái)具有數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警與運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能，為環(huán)境監(jiān)護(hù)人員提供訪問(wèn)界面，提示急需處理的垃圾，并且具有數(shù)據(jù)保存和查詢等功能.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用集成微控制器和ZigBee射頻芯片于一體的CC2530來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線傳輸.CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，其包含射頻RFCC2520，能夠在ZigBee2007協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行，并具有較小的體積和重量，集成單片機(jī)、ADC、無(wú)線通信模塊于一體，節(jié)點(diǎn)通信距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)性能穩(wěn)定可靠[7-8].

2.1 無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)

無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)行控制，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)環(huán)境中溫濕度、各類垃圾產(chǎn)生的有毒有害氣體數(shù)據(jù)、GPS定位模塊的坐標(biāo)信息采集等.其中主要包括傳感器模塊、GPS定位模塊、報(bào)警模塊、LED顯示電路、ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊等.

在本文設(shè)計(jì)的ZigBee系統(tǒng)中，由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，其余無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入，在加入網(wǎng)絡(luò)后，將采集的信息逐步傳遞給協(xié)調(diào)器，并接收其發(fā)來(lái)的命令，若發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)利用LED顯示電路監(jiān)控工作和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài).具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示.

2.1.1 溫濕度檢測(cè)模塊 溫濕度檢測(cè)使用DHT11傳感器，輸出為數(shù)字信號(hào)，測(cè)量范圍為20%～90%RH，溫度0～50℃，測(cè)量精度為濕度±5%RH、溫度±2℃，穩(wěn)定性高，能夠長(zhǎng)期使用，完全可以滿足系統(tǒng)測(cè)量需要[9-10].

2.1.2 氣體檢測(cè)模塊 甲醛檢測(cè)采用HCHO/C-10電化學(xué)傳感器，測(cè)量范圍為0～1.2 mg·m-3；響應(yīng)時(shí)間小于50 s；在非凝結(jié)狀態(tài)下，濕度范圍為15%RH～90%RH；在空氣中工作壽命長(zhǎng)達(dá)3 a；輸出(1 000±250) nA·(mg·m-3)-1信號(hào)；溫度范圍達(dá)到-20～45℃；線性度輸出，適合長(zhǎng)期實(shí)時(shí)精確檢測(cè).硫化氫傳感器采用TGS825，測(cè)量范圍為7.5～150 mg·(m-3)-1；加熱器電壓VH：5±0.2 V(DC/AC)；靈敏度為0.45±0.15(H2S 75 mg·(m-3)-1/15 mg·(m-3)-1)；具有高靈敏度，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，非常適合用于本系統(tǒng)硫化氫氣體檢測(cè).二氧化硫檢測(cè)采用HCI/M-20定電位電解式傳感器，測(cè)量范圍0～57 mg·m-3；最大負(fù)荷達(dá)到14 250 mg·m-3；溫濕度范圍為-20～45℃、15%RH～90%RH(非凝結(jié))；線性度輸出，在空氣中工作壽命2 a，適合長(zhǎng)期高精度檢測(cè).氨氣檢測(cè)采用NH3/CR-200傳感器，測(cè)量范圍為0～76 mg·m-3；最大負(fù)荷152 mg·m-3；在空氣中工作壽命2 a；輸出(118±237)nA·(mg·m-3)-1信號(hào)；分辨率達(dá)到0.76 mg·m-3，適用于對(duì)本系統(tǒng)氨氣的檢測(cè).

2.1.3 GPS模塊 以ZigBee協(xié)調(diào)器建立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為中心，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)自身的GPS定位模塊進(jìn)行定位，利用協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)定位指令、定位坐標(biāo)的信息傳遞.

圖3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Network coordinator node structure diagram

圖4 無(wú)線終端模塊流程圖Fig.4 Wireless terminal module flowchart

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

在垃圾回收站環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立與管理網(wǎng)絡(luò)、與上位機(jī)及GSM模塊通信、接收終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并處理、向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令、顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài).其中主要包括：GSM通信模塊、LED與LCD顯示電路、ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊等.

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸并處理，通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)與GSM通信模塊和上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，節(jié)點(diǎn)中利用LED和LCD顯示電路監(jiān)控工作和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài).具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3所示.

GSM通信模塊主要由功率放大器、射頻芯片等組成，可以對(duì)GSM射頻處理，配有標(biāo)準(zhǔn)接口.GSM模塊具有基于GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有功能，包括發(fā)送SMS信息、語(yǔ)音通話等.能夠?qū)崿F(xiàn)以短信、語(yǔ)音通話等模式實(shí)時(shí)將垃圾回收站環(huán)境信息告知環(huán)境監(jiān)護(hù)人員，并進(jìn)行及時(shí)的垃圾處理.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序流程首先需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括采樣周期、輸入通道等.然后以協(xié)調(diào)器為中心發(fā)出指令，無(wú)線終端模塊接收到協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的命令后，通過(guò)各類傳感器、GPS定位模塊進(jìn)行信息采集，再經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器，最終由串口傳遞給上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái).系統(tǒng)的軟件主要包括無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分.

3.1 無(wú)線終端模塊軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線終端模塊主要是采集的各類垃圾回收站的數(shù)據(jù)(包括：溫濕度、有毒有害氣體、GPS定位信息等)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)建立的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，同時(shí)接受網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的執(zhí)行命令.

模塊上電后進(jìn)行硬件和協(xié)議棧初始化，并對(duì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置，然后開始網(wǎng)絡(luò)掃描，等待入網(wǎng)信號(hào)的建立，在接收到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，在模塊執(zhí)行的過(guò)程中將接收的各類采集數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，若采集的溫濕度及有毒有害氣體濃度超過(guò)設(shè)定的上限值，報(bào)警模塊會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào).具體無(wú)線終端模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示.

3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器終端模塊進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立，等待終端節(jié)點(diǎn)的申請(qǐng)，通過(guò)后接收終端節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控平臺(tái)及GSM模塊的數(shù)據(jù)交互.

模塊上電后進(jìn)行硬件和協(xié)議棧初始化，并對(duì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置，然后開始信道掃描，建立新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，等待節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求，在有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)分配網(wǎng)絡(luò)地址，若是節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)發(fā)送至GSM模塊和上位機(jī)平臺(tái)處理.具體網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示.

4 系統(tǒng)檢測(cè)與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，以蕪湖市鳩江區(qū)垃圾回收站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.采用甲醛和溫濕度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示.

由圖6可知，垃圾回收站的甲醛濃度維持在0.02～0.05 mg·m-3之間，雖然沒(méi)有達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)0.08 mg·m-3，但是本次測(cè)量?jī)H在10：00-18：00時(shí)的時(shí)間內(nèi)，如果垃圾堆放過(guò)多、時(shí)間較長(zhǎng)，甲醛體積濃度會(huì)不斷上升，將會(huì)對(duì)環(huán)境及人體帶來(lái)危害，所以實(shí)時(shí)檢測(cè)尤為重要.

圖5網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊流程圖

Fig.5 Network coordinator module flowchart

圖6 垃圾回收站甲醛濃度檢測(cè)曲線Fig.6 Formaldehyde concentration detection curve of garbage recycling station

圖7 垃圾回收站溫度檢測(cè)曲線Fig.7 Temperature detection curve of garbage collection station

由圖7可知，垃圾回收站的溫度變化在5～10℃之間，中午12時(shí)、13時(shí)溫度較高，結(jié)合圖6可以看出，溫度的變高會(huì)導(dǎo)致甲醛體積濃度的增加，這是由于溫度的升高使垃圾的揮發(fā)進(jìn)一步加快.

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了在垃圾回收站中運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測(cè)，系統(tǒng)中不僅能夠采集溫濕度、有毒有害氣體的檢測(cè)，還具有GPS定位和GSM信息通信功能，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，并且采用ZigBee技術(shù)具有高可靠性的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸.系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)一步改善了垃圾回收站環(huán)境的檢測(cè)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高可靠性、穩(wěn)定性等特點(diǎn).本設(shè)計(jì)還可以進(jìn)一步擴(kuò)展用于甲烷、甲硫醇、甲胺、甲基硫等可燃有毒氣體的采集，具有一定的應(yīng)用價(jià)值.