徐爱兰 李良程 李翔宇 曹埔铭 朱晏民 杨雪薇
摘 要：该文设计了一种远程监测垃圾桶满溢的节点。该节点以MSP430F149单片机为核心控制单元，利用超声波测距感应器测量垃圾桶内垃圾高度，当检测到垃圾量将满时，控制单元发送告警信号，通过NB-IoT将告警信息传送至远端服务器，提醒环卫工人收集处理垃圾。该系统具有功耗低、易于维护和管理等优点，使得环卫工作人员对分散四处的垃圾桶管理更加方便有序，可显著提高了管理效率。
关键词：垃圾桶监测 单片机 物联网 节点设计
中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）08（b）-0004-03
Design of Dustbin Overflow Monitoring Node based on NB-IoT
XU Ailan1 LI Liangcheng2* LI Xiangyu2 CAO Puming2 ZHU Yanmin2 YANG Xuewei2
（1.Nantong Environmental Monitoring Center， Nantong， Jiangsu Province， 226006 China;2.School of Information Science and Technology of Nantong University， Nantong， Jiangsu Province， 226019 China）
Abstract： This paper designs a node for remote monitoring trash can to prevent its garbage overflow. This node takes MSP430F149 MCU as the core control unit， and uses ultrasonic distance measurement sensor to measure the height of garbage in the garbage can. When it detects that the garbage will be full， the control unit sends an alarm signal， and NB-IoT sends the alarm information to the remote server to remind sanitation workers to collect and process garbage. The system has the advantages of low power consumption， easy maintenance and management， etc.， making it more convenient and orderly for sanitation staff to manage the scattered trash cans， which can significantly improve the management efficiency.
Key Words： Garbage can monitor; Single chip microcomputer; Internet of things; Node design
隨着人们生活水平的提升，人们对环境的要求也日益提高。生活中公共场所随处可见的垃圾桶，特别是街道两侧的垃圾桶，每天需要环卫工人花费大量的时间和精力去管理和清理，这也是令环卫管理者感到困扰的问题。传统的管理方法是让环卫工人每天定时来清理垃圾桶中的垃圾，这种工作方式的效率十分低下，不能够及时对已经满溢出垃圾的垃圾桶进行处理，一定程度上影响了市容[1]。该文针对这一问题，提出一种远程垃圾桶满溢监测节点设计方案，可以对布设的垃圾桶满溢程度进行实时监测，及时处理即将满溢的垃圾桶，可以快速、准确、高效地处理垃圾桶满溢问题。
目前，国内外在垃圾桶满溢监测的开发方面都取得了一定进展[2，3]，但这些设计多数主要针对个人或家庭使用场景，成本相对较高且功耗较大，测量精度有待提高，不便于区域乃至整个城市层面的大范围布设。因此，该文借助NB-IoT将分散四处的垃圾桶连接到远端服务器，监控垃圾桶的状态。该设计将功能精简化，尽可能降低成本，减少功耗，意在可用于环卫垃圾桶满溢监控和管理。
1 系统结构与设计
如图1所示，该系统由单片机、超声波测距模块、无线通信模块、GPS模块、供电模块以及远端的服务器组成。该系统的主要工作原理为：单片机周期性的测试节点的位置信息与电池电压信息，并利用超声波测距传感器周期性的扫描测距，并将距离数据通过串口送至单片机;单片机根据收到的有效数据，检测垃圾桶内垃圾高度是否达到预设门限，若已达到预设门限，则通过无线传输模块发送警告指令至远程中心服务器。环卫中心则根据收到的告警信息和定位信息安排工作人员及时到达相应位置清理垃圾。
1.1 硬件设计
垃圾桶满溢监测节点硬件部分由MSP430F149单片机、JSN-SR04T超声波距离传感器、NB-IoT通信模块BC-95、GPS模块NEO-6M和二号干电池供电电源等模块组成。
MSP430F149单片机是美国TI公司开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机，其性价比和集成度极高，可在超低功耗模式下工作。在IAR开发环境下，可在线对单片机进行调试和下载，开发方便，代码简单易读。MSP430F149单片机通过串口分别与超声波测距模块以及定位模块相连，利用SPI控制无线传输模块收发数据。
超声波测距传感器型号为JSN-SR04T，其测量距离范围为20～600cm，精度可达2mm;同时功耗极低，最大程度提高了模块的待机续航能力;防水防尘，完全适用于恶劣条件的工作环境。经测试选用其第三模式，每隔5min进行一次扫描，采集数据可直接通过串口传至单片机，进行后续处理。
无线通信模块选用NB-IoT，即基于蜂窝的窄带物联网技术是近些年IoT领域新进的一项技术[4，5]，相对GPRS技术最大的优势在于其功耗极低，由于引入了PSM低功耗模式，可使模块保持在线情况下减少不必要的指令。设计选用的BC-95通信模块相对于GPRS的SIM800C模块可以延长3倍电池使用寿命。在实际测试下，BC-95模块功耗为μA级别，因此可以保持长期开机状态，节省指令。同时NB-IoT技术可靠性相对GPRS更高，由于使用独立的180kHz，不占用现有网络带宽，可以保证数据回收率达99%。
GPS模块NEO-6M，具有高灵敏度、低功耗、小型化、其极高追踪灵敏度可扩大其定位的覆盖面，在普通GPS接收模块不能定位的地方，如密集的丛林环境，NEO-6M都能高精度定位。为垃圾桶准确定位跟踪提供强有力的技术支撑。
供电模块方面，拟选用ER26500锂氩电池，其单节电池可提供3.7V，但由于其售价过高，也不方便用户购买更换，故没有采用。太阳能供电同样被作为备选方案，但经测算，即使每天可以保证8h日照，但每个系统节点需要配备约15cm×15cm的太阳能光伏板，无论从成本、体积还是安装等方面考虑都不合适，故没有采用。最终，采用3节二号干电池供电的方案，3节干电池可提供4.5V电压，提供的电量虽不及锂氩电池，但依旧可以保证系统相当长时间的持续运行，其最大的优势是成本低，易于更换。
1.2 软件设计
垃圾桶满溢监测节点软件设计流程如图2所示，（1）单片机初始化时钟，初始化NB-IoT模块，定时器中断，串口中断，外部中断等;（2）若定时时间到，通过GPS模块测量节点坐标位置;否则，节点进入休眠状态;（3）通过12位ADC监测电池电压;（4）超声波测距传感器对垃圾桶内垃圾进行测距;（5）判断垃圾高度是否达到设定的阈值，若达到阈值，则立刻通过NB-IoT发送告警信息至远端服务器，该数据包包含自身剩余电量信息、位置信息、垃圾高度信息，信号质量信息，节点ID号等;若未达到阈值，则跳转至步骤（2）。
环卫管理人员可以在控制中心[6]，根据每个垃圾桶装有垃圾量实时显示的统计结果，调度垃圾收集车的运行轨迹，提高了垃圾清理的效率和精准性。
2 实验与测试
图3是根据第2节硬件和软件设计原理制作的垃圾桶满溢监测节点。经过实验测试，MSP430单片机工作模式下功率为0.65mW，待机模式下则仅有0.0026mW;JSN-SR04T采用第三模式尽可能降低功耗，工作电流为2mA;而BC-95模块的工作电流可以低至5μA，进入PSM低功耗模式下更可以忽略不计。同时，系统的工作流程为白天16h，每5min进行一次采集处理，持续时间10s左右，夜间采集频率降至1h一次;非工作时间系统所有模块均进入低功耗/睡眠模式。经循环功耗测试后，确定整个系统24h的功耗约为1.8W，正常的3节二号电池总计4.5Ah的电量可以支持系统持续运行超过20个月。
3 结语
该智能环卫垃圾桶监测节点设计简单，造价便宜，安装布设方便灵活。对垃圾桶的垃圾量做出实时监测，借助远程数据服务器平台，可帮助环卫工提高收集效率，提升市容环境的整洁度，且设备功耗低，能在各种恶劣环境下长期使用。
参考文献
[1] 李明，王晨景.绿色全自动智能分类垃圾桶[J].科技资讯，2017，15（16）：124.
[2] 朱钰磊，程晓茜，庄瑶.基于家居式的智能垃圾桶设计[J].农村经济与科技，2017，28（4）：278-280.
[3] 李达，包从望，李立业，等.垃圾桶溢满处理设计[J].科技与创新，2018（8）：121-122.
[4] 陈海，许绍松，陈锋，等.NB-IoT组网应用研究[J].邮电设计技术，2019（5）：47-51.
[5] 裴壮.基于蜂窝的窄带物联网（NB-IoT）技术性能及运用[J].中国新通信，2019（18）：7.
[6] 丁怡偉.面向公共卫生设施的交互设计研究[D].北京林业大学，2019.
