基于NB-IoT的一种智能环卫装置的设计与实现

叶秀斌 潘依郎 魏经纬 刘慧湟 汪艺璇

摘 要：随着公共场所卫生设施的改进与公共用纸的普及，为避免免费用纸的浪费，方便环卫工人的日常管理，基于NB-IoT技术设计了一种智能环卫装置。采用STC89C52单片机控制电机，结合多种传感器，实现感应出纸、自动烘干、终端监测等功能，解决了智能管理与环保卫生等实际问题，保证了公共场所免费供纸与环境卫生的有效管理。

关键词：NB-IoT;环卫装置;42步进电机;传感器;公共场所;人工智能

中图分类号：TP29文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

随着物联网技术的发展，智慧城市建设成为未来的发展趋势，公共环卫设施作为智慧城市的一部分，需要逐步实现信息化、智能化。目前，日益普及的公共环卫装置功能单一，无法实现智能管理及便捷使用，还存在用纸浪费，纸质卫生得不到保障等缺陷。本文基于NB-IoT技术，设计了一款具有自动出纸，带干燥功能的智能节能公共环卫装置，便于后勤管理，避免用纸浪费、用户缺纸及纸质受潮等问题，符合当今社会提倡的节能环保需求。

1 基于NB-loT技术的设计思路

1.1 NB-IoT技术应用

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）即基于蜂窝的窄带物联网，是5G时代的三大标准之一，主要面向物联网场景，以其容量低、覆盖广、成本低和功耗低等优点在智慧城市建设中扮演着重要角色。NB-IoT应用场景如图1所示。

NB-IoT通信技术解决了监测覆盖及数据传输等问题。将其作为智能环卫装置监控系统的技术支撑，具有部署灵活、低功耗、广覆盖、大连接及低成本五大优势，是目前物联网连接技术的前沿[1]。

1.2 系统技术指标

智能环卫装置以单片机STC89C52为控制中枢，由超声波测距模块、数字温湿度传感器、人体红外传感器、远红外线电热膜模块、液晶显示触摸模块、NB-IoT通信模块、步进电机、驱动电路及电源模块组成，系统设计框图如图2所示[2]。

根据以上系统框图，要求实现以下功能[3]：

（1）单片机控制步进电机转动出纸;

（2）超声波传感器监测用纸情况;

（3）人体红外传感器感应自动出纸;

（4）数字温湿度传感器检测纸盒内部温湿度，判断卫生用纸是否干燥;

（5）红外电热膜根据湿度适时烘干潮湿纸张;

（6）NB-IoT通信模块实时传输装置将纸张使用，温湿度等情况传输至手机终端。

2 智能环卫装置设计

2.1 装置结构

本文设计的智能环卫装置结构如图3所示，盒体为长方体塑料材质。前后盖板中心由滚轴连接，并与步进电机相连，由单片机控制出纸长度[4];盒体顶部装置检测卷纸厚度的超声波传感器;底部锯齿状出纸口处利用人体红外传感器感应出纸;左侧面安装数字温湿度传感器检测纸盒内部环境，在潮湿或低温时由装置底部的红外热膜烘干纸张;右侧放置电路板与显示装置状态的液晶显示模块，并具有3个独立按键进行设置出纸长度、装置复位等功能;电路板包含NB-IoT通信模块，进行数据传输及更新，可发送卷纸状态、空气温湿度、机器运行情况等信息至手机终端[4]。

2.2 模块设计原理

2.2.1 旋转部件

本设计选用两相四线混合式的42步进电机作为装置的旋转部件，其扭矩为0.46 N·m，细分3 200步/转，采用L298N芯片驱动，实现出纸动作。为防止步进电机通过回路干扰单片机，对步进电机采用独立供电[4-5]。根据人为设置出纸长度m，控制电机旋转转数。其中：h为盒体高度;d为超声波测距传感器测量值。

2.2.2 超声波测距模块

超声波测距模块主要作用是实时检测卷纸剩余量。本设计采用US-100超声波测距传感器，通过在单片机TX管脚输入0X55（波特率9 600 b/s），系统可发出8个40 kHz的超声波脉冲检测回波信号。当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，并根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过RX管脚输出[6]。输出的距离值共两个字节，第一个字节是距离的高8位（HData），第二个字节为距离的低8位（LData），则距离值为d=HDxta×256+LDats（单位：mm）。卷纸剩余量可由卷纸厚度m体现，即m=h/2-d-r，其中，h为盒体高度，r为卷纸卷棒半径，卷纸与盒体规格如图4所示。

2.2.3 数字温湿度模块

数字温湿度模块主要是检测装置内部空气温湿度并依此判断纸张是否受潮。此模块为DHT11数字温湿度传感器，采用单线制串行接口，直接与单片机的I/O口相连[7]。采用单总线数据格式。其数据包由5 Byte（40 bit）组成，分小数部分和整数部分，高位先出，数据格式为8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+8 bit温度整数数据+8 bit温度小数数据+8 bit校验和。

校验和數据为前4个字节相加，传感器数据输出的是未编码的二进制数据，数据（湿度、温度、整数、小数）之间分开处理[7]。读取传感器某次数据见表1所列。

2.2.4 NB-IoT通信模块

本设计使用NB-IoT通信模块进行数据传输，将环卫装置状态监控系统架构分为前端、传输网络和云平台三个部分。前端由N个安装在各公共场所的智能环卫装置的数据采集节点组成，负责采集装置内部的温度、湿度、卷纸厚度等信息，并按照时间点在线实时或离线发送。传输网络使用NB-IoT技术，将物联网卡连接至移动网络，基于云服务的CoAP协议，将数据传输至云平台，由智慧环卫信息处理系统处理后发送短信至手机进行实时监控。NB-IoT网络结构如图5所示。

3 程序设计与测试结果

3.1 程序设计

本设计通过C语言编程控制单片机STC89C52内部的控制电路以及I/O接口，来实现各个功能模块。程序主要包括初始化LCD、DHT11数字温湿度模块函数、超声波传感器US-100模块函数、NB-IoT传输函数、HC-SR501人体红外感应模块函数、旋转硬件函数及按键扫描函数[9-10]。根据主程序流程调用以上各函数控制装置，如图6所示。

当HC-SR501人体红外感应模块检测到人手接近，则驱动步进电机出纸。设计三个独立按键用于设置出纸量，分别为复位、增纸量及减纸量。通过按键扫描检测是否按下键位及按下哪个键位。

通过DHT11数字温湿度模块检测温湿度，设置湿度阀值启动热膜，并设置达到温度阀值关闭热膜，实时控制远红外电热膜加热开关保证卫生卷紙卫生质量。

3.2 测试结果

根据卫生纸的干湿及红外热膜状态对比得出一组最合适的温湿度阀值。当检测湿度超过设定值75%RH时，启动红外热膜进行加热，直至温度超过阈值50℃时关闭红外热膜[11-12]。温湿度阈值测试数据见表2所列。

当超声波传感器US-100模块检测到剩余纸量m<1 cm，液晶显示屏显示缺纸状态，并通过NB-IoT通信模块发送短信通知管理人员换纸，短信截图如图7所示。

4 结 语

经过软硬件联调与测试，各模块均可正常工作，并实现既定技术指标。但在功能上还有待完善之处，后期可设计用户APP，增加二维码支付购买纸张、GPS定位、呼叫帮助、气味检测等功能，也可作为家庭使用，成为智能家居的一部分。此智能环卫装置作为智慧城市物联网的一部分，可减少目前普遍存在的公共用纸浪费，有利于公共资源的有效管理。整个装置成本低，实用性强，可向广大家庭、公卫、学校、酒店等公共卫生区域推广。

参 考 文 献

[1]孙迪科.基于NB-IoT技术的油烟监控系统设计与实现[J].移动通信，2017，41（22）： 41-45.

[2]何灿隆，沈明霞，刘龙申，等.基于NB-IoT的温室温度智能调控系统设计与实现[J].华南农业大学学报，2018，39（2）：117-124.

[3]叶秀斌.一种卫生纸智能出纸装置：ZL201621065154.X [P].2017-08-01.

[4]马文斌，杨延竹，洪运.步进电机控制系统的设计及应用[J].电子技术应用，2015，41（11）：11-13.

[5]姜书政，王桂海.基于AT89S52单片机的电机控制系统设计[J].现代电子技术，2010，33（7）：138-140.

[6]兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J].电子测量技术，2013，36（2）：85-87.

[7]卜永波，罗小玲，陈一.基于DHT11传感器的温湿度采集系统[J].计算机与现代化，2013（11）：133-135.

[8]邵海龙，梁嵇晖.智能窗帘控制系统[J].微型机与应用，2017，36（4）：56-58.

[9]陈致远，朱叶承，周卓泉，等.一种基于STM32的智能家居控制系统[J].电子技术应用，2012，38（9）：138-140.

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[11]高伟康.基于STM32的两相四线步进电机高精度驱动器设计[D].淮南：安徽理工大学，2017.

[12]王明浩，吴韶波. 基于智慧城市建设的NB-IoT应用研究[J].物联网技术，2017，7（7）：79-82.