基于NB-IoT的垃圾桶溢滿檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦苗苗，呂凱旋，姜冰冰

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市化程度不斷提高，導(dǎo)致垃圾數(shù)量呈爆炸性增長，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的垃圾管理問題。這主要是由于垃圾監(jiān)測和管理流程不當(dāng)造成的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)人員可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將垃圾桶和互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)系，傳遞信息，從而對垃圾桶實(shí)行智能化監(jiān)控，解決垃圾溢滿影響城市形象的問題。

傳統(tǒng)的無線信息傳輸技術(shù)，如GPRS、藍(lán)牙、ZigBee等盡管在功能上均能夠完成基本工作，但劣勢在于功耗大且有效傳輸距離短，不利于長期使用，故采用具有明顯低功耗和低成本優(yōu)勢的NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）無線傳輸技術(shù)解決上述問題。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)管垃圾桶，完善溢滿檢測系統(tǒng)，提高環(huán)衛(wèi)工作的工作效率，減少環(huán)衛(wèi)工作中資源的浪費(fèi)。

本文設(shè)計(jì)的基于NB-IoT的垃圾桶溢滿檢測系統(tǒng)包括硬件部分、軟件部分和IoT平臺部分。硬件部分主要研究主控模塊的控制方式以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用方法；軟件部分主要研究NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的通信方式；IoT平臺部分主要研究平臺的搭建方式以及簡單的數(shù)據(jù)可視化方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用干電池為電路系統(tǒng)供電，以垃圾桶桶蓋為安裝載體，通過MSP430主控模塊控制實(shí)用激光測距傳感器獲取桶內(nèi)垃圾余量，通過控制實(shí)時(shí)時(shí)間模塊獲取時(shí)間，利用NB-IoT通信模塊通過基站將數(shù)據(jù)發(fā)送到IoT平臺。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 溢滿檢測系統(tǒng)框架

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件組成包括：供電系統(tǒng)模塊、主控模塊、桶內(nèi)測距模塊、NB-IoT通信模塊、實(shí)時(shí)時(shí)間模塊，如圖2所示。供電系統(tǒng)模塊為溢滿檢測系統(tǒng)的硬件供電，主控模塊是硬件系統(tǒng)的控制模塊，控制各種邏輯算法以及系統(tǒng)運(yùn)行流程。測距模塊電路主要針對傳感器的輪詢讀取電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用邏輯開關(guān)芯片作為系統(tǒng)選通傳感器的模擬開關(guān)。

圖2 溢滿檢測系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)模塊為溢滿檢測系統(tǒng)的硬件供電，本次設(shè)計(jì)采用干電池，可根據(jù)微控制器的型號來確定干電池的電壓（3 V/5 V）。主控模塊是硬件系統(tǒng)的控制模塊，控制各種邏輯算法以及系統(tǒng)運(yùn)行的流程。桶內(nèi)測距模塊的目的是采集垃圾桶內(nèi)垃圾余量數(shù)據(jù)，這是本次設(shè)計(jì)中進(jìn)行溢滿判斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳到IoT平臺后通過一系列算法即可進(jìn)行溢滿檢測。通信模塊的主要作用是在微控制器的控制下把數(shù)據(jù)上傳到IoT平臺，并且在系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式時(shí)，通信模塊也要配合低功耗模式進(jìn)入休眠狀態(tài)。實(shí)時(shí)時(shí)間模塊具有確定實(shí)時(shí)時(shí)間的功能，為每個數(shù)據(jù)打上時(shí)間標(biāo)記，便于分析和管理。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化部分、TOF10120激光測距部分、PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)間獲取部分、M5311 NB-IoT通信模組上傳與接收數(shù)據(jù)部分。系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）初始化部分：單片機(jī)初始化，各種功能對應(yīng)寄存器的初始化配置以及函數(shù)的初始化聲明等；

（2）PCF8563獲取實(shí)時(shí)時(shí)間部分：系統(tǒng)硬件設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)包含實(shí)時(shí)時(shí)間，所以需要在上傳數(shù)據(jù)之前獲取準(zhǔn)確的時(shí)間，PCF8563芯片與單片機(jī)間進(jìn)行IC通信把實(shí)時(shí)時(shí)間傳輸給單片機(jī)主控模塊；

（3）TOF10120激光測距部分：TOF10120激光測距模塊與單片機(jī)進(jìn)行UART通信，把原始數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)主控模塊，共有4個激光測距模塊，因此需要進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的輪詢讀取；

（4）M5311 NB-IoT通信模組通信部分：M5311 NB-IoT通信模組與單片機(jī)間進(jìn)行UART通信，與IoT平臺通信首先需要通過SIM卡入網(wǎng)，NB模組聯(lián)網(wǎng)上報(bào)數(shù)據(jù)的過程根據(jù)AT指令完成，單片機(jī)通過UART通信將AT指令按照一定的邏輯順序發(fā)送給NB-IoT通信模組，控制NB-IoT通信模組把數(shù)據(jù)上傳到IoT平臺。

1.3 IoT平臺設(shè)計(jì)

IoT平臺需要在服務(wù)器中搭建，微控制器通過NB-IoT通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到IoT平臺，同時(shí)接收IoT平臺下發(fā)的數(shù)據(jù)。IoT平臺將接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化操作，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)管。硬件上傳的原始數(shù)據(jù)首先存放到后端的某一位置，接著經(jīng)過一系列算法解析后，把需要用到的數(shù)據(jù)提供給前端，最后在UI界面上進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化處理，用戶就可以從UI界面上看到處理后的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)下發(fā)與上傳是完全相反的流程，在下發(fā)數(shù)據(jù)控制硬件系統(tǒng)時(shí)，首先從UI界面進(jìn)行操作，寫入某些數(shù)據(jù)或按下某些按鈕后，經(jīng)過前后端的交互，后端部分把數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，轉(zhuǎn)化為JSON格式發(fā)送給硬件系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 溢滿檢測系統(tǒng)IoT平臺部分設(shè)計(jì)

2 溢滿檢測系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試

通過串口檢測工具監(jiān)控NB-IoT通信模組和單片機(jī)之間的通信，以此來測試溢滿檢測系統(tǒng)的功能能否成功實(shí)現(xiàn)。主要進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)交流測試，分別是單片機(jī)上傳原始數(shù)據(jù)到平臺和平臺對硬件系統(tǒng)下發(fā)控制數(shù)據(jù)，硬件系統(tǒng)按照平臺下發(fā)的數(shù)據(jù)配置相關(guān)模塊進(jìn)行工作。

2.1 上傳數(shù)據(jù)流程測試

確定模組正常工作之后，硬件系統(tǒng)連接服務(wù)器后就可以上傳封裝好的JSON格式數(shù)據(jù)到IoT平臺，上傳數(shù)據(jù)成功后，硬件系統(tǒng)需要接收服務(wù)器回傳的數(shù)據(jù)。上傳數(shù)據(jù)部分的串口工具監(jiān)測示意圖如圖5所示。

圖5 上傳數(shù)據(jù)部分的串口監(jiān)測示意圖

2.2 系統(tǒng)接收服務(wù)器回傳配置數(shù)據(jù)的測試

系統(tǒng)硬件成功連接到服務(wù)器后，請求服務(wù)器下發(fā)配置數(shù)據(jù)，以幫助系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行對時(shí)，即確定當(dāng)前的時(shí)間。之后IoT平臺會傳輸具體數(shù)據(jù)到系統(tǒng)的硬件部分，完成數(shù)據(jù)的接收工作后，需要清除HTTP連接。系統(tǒng)接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)回傳配置部分串口工具監(jiān)測示意圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)回傳配置部分串口工具監(jiān)測示意圖

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的垃圾桶溢滿檢測系統(tǒng)為智慧城市的衛(wèi)生環(huán)境治理提供了有效的方法。該系統(tǒng)選用了超低功耗的主控MSP430FR2433單片機(jī)，配合低功耗M5311 NB-IoT通信模組，使得系統(tǒng)在正常工作時(shí)所使用的電量極低，同時(shí)在空閑狀態(tài)時(shí)進(jìn)入低功耗模式，使得持續(xù)耗電量維持在較低水平。系統(tǒng)擁有廣闊的使用空間與較好的市場前景。