基于树莓派的智能公共纸盒系统设计

黄凤英，徐天行，叶秀斌

（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105）

0 引 言

公共纸盒在人们的日常生活中随处可见，但是由于缺少相应的管理机制，许多使用者无节制地取纸，造成了大量的资源浪费。虽然大部分公共纸盒都添加了环保标语，但调查发现大部分取纸者无视环保标语，随意取纸，如图1所示。据统计，超过97%的用户都经历过纸盒缺纸的情况，其中66%的用户发现投放擦手废纸的纸篓中干纸量较多，如图2所示。根据以上调查分析，不受控制的取纸往往会造成严重的资源浪费和用纸不便。

图1 随意取纸

图2 纸巾浪费

另外，目前公共场所投放的传统纸盒存在以下问题：一是部分用户随意取纸，造成用纸浪费[1]，产生多余废纸垃圾，造成了资源的浪费，影响环保事业的发展；二是在使用过程中经常因为缺纸给用户造成极大不便，需要后勤人员自主地巡视卫生纸是否用完，以便及时补装，这种后勤管理方式效率低下；三是由于缺乏相应的监管机制，后勤保洁人员将准备更换或者未使用完毕的卫生纸占为己有，造成对公共资源的盗用。

本文设计的基于树莓派的智能公共纸盒结合了当前公共纸盒普遍面临的问题，充分考虑取纸用户的使用需求，为各公共卫生场所提供了一款智能化的公共纸盒。其不仅能够实现公共纸盒的自动出纸、控制出纸长度和换纸功能，通过联网还能实现远程监测、远程管理和数据记录的功能。

1 系统总体框架

本文设计的基于树莓派的智能公共纸盒系统是结合物联网、WiFi无线通信技术、Web开发和数据库等前沿技术的远程纸盒管理系统。该系统采用模块化设计思路，硬件上由各部分的超声波传感器模块实现各部分的功能：出纸口的超声波传感器感应出纸，测距超声波传感器将采集到的数据传输至主控平台中；主控平台将接收到的数据通过自身搭载的WiFi模块传输至已建立TCP/IP连接的云服务器中，云服务器将接收到的数据存入对应的数据库中；管理人员可以在Web端对设备和工作人员进行管理[2]。基于树莓派的智能公共纸盒系统的方案设计图如图3所示。

图3 智能公共纸盒系统的方案设计图

2 系统硬件设计

本系统硬件设计以树莓派为主控平台，搭配板载WiFi模块、二相混合式步进电机和2个超声波传感器[3]，组成完整的硬件系统，实现硬件部分自动出纸、出纸量可控和纸张余量检测的功能。硬件系统整体框图如图4所示。

图4 硬件系统整体框图

本设计采用树莓派Zero W作为主控平台，它采用BCM2835芯片（1 GHz ARM11内核），有着512 MB的内存，同时板载了WiFi模块[4]。以树莓派Zero W作为系统开发平台能够节省开发者搭建硬件的时间，使得开发者更加专注于创意设计、算法细节和程序编写，使创作的产品更加稳定[5]。

本设计采用树莓派Zero W自带的WiFi模块实现智能公共纸盒和云服务器的数据传输，多台纸盒设备可同时联网与服务器进行通信，达到远程实时监控管理的效果。

本设计采用了2个型号为HC-SR04的超声波传感器作为感知模块。第1个超声波传感器装配于出纸口下方，当该超声波传感器被触发时，树莓派将控制步进电机运行设定的转动程序[6-7]进行一定角度的转动，以实现自动出纸功能；第2个超声波传感器装置于纸盒内壁，用于检测其到卷纸筒的距离，并将检测到的数值返回树莓派平台计算纸张余量，之后联网将数据发送到云端。

在本设计中，当出纸口处的传感器被触发时，树莓派将给予步进电机电脉冲信号，使步进电机转动“步距角”[5]，并在获取当前卷纸厚度的同时带动卷纸纸筒转动，实现纸盒自动吐出固定长度的卷纸。若该功能的传感器未被触发，步进电机不转动，同时卷纸纸筒被固定，纸盒无法出纸。固定出纸长度功能是由余量检测的超声波传感器和树莓派的控制配合实现[8]，树莓派使用周长计算公式实现每次出纸长度相同，转动角度[9]计算公式为：

式中：D为卷纸轴到余量检测传感器的距离；d为当前传感器检测到的距离；N为出纸长度；n为单次转动角度。步进电机执行出纸操作后，树莓派将会对步进电机进行5 s的设备休眠，避免用户在短时间内多次取纸。

3 系统软件设计

基于树莓派的智能公共纸盒系统设计的软件系统是一个连接云服务器并可协助管理人员管理公共纸盒的Web端管理系统。管理员使用Web端管理系统可以随时随地通过网页查看管理范围内所有智能公共纸盒的剩余纸量，及时接收缺纸提示信息，查看系统内设备的用纸记录和用纸统计，对于个人信息、人员系统和设备系统管理也能够轻松完成，后期还可以结合数据进行分析，有助于合理的资源采购。Web端的功能设计如图5所示。

图5 Web端功能设计

3.1 软件设计流程

基于树莓派的智能公共纸盒系统设计的Web端采用HTML、CSS和PHP编写，其中HTML和CSS用于编辑界面视图，主要利用PHP编写程序与云服务器进行通信。管理人员登录系统后直接进入管理员中心，但同时还可以进入查看设备界面、设备用纸记录界面和用纸统计界面；从管理员中心界面还可以进入增加设备界面、修改设备界面、删除设备界面和修改个人信息界面、增加人员界面、删除人员界面。Web端具体功能流程如图6所示。

图6 Web端功能设计流程

3.2 软件功能设计

3.2.1 管理员中心

采用管理者的工号及密码进行用户登录，登录后即可进入管理员中心界面，如图7所示。在该管理员中心界面，管理人员可以对个人信息、工作人员和设备进行管理。当点击修改信息按钮后将进入该登录人员自我信息修改界面，界面自动显示当前的用户名、密码和联系电话，管理人员可在原信息的基础上进行修改，也可以删除后重新录入。当点击修改设备按钮后进入修改设备界面，该界面能够修改某设备的地址和卷纸余量，其修改操作以设备号为依据。添加用户和添加设备的程序类似，在按下按钮后会进入对应的功能界面，当用户提交信息后，程序对提交的数据进行获取和判断，数据为空或数据不符合格式时返回界面信息提示；当添加的设备号或工号已存在时则提示已存在；若格式正确且为新设备号或工号，则能够正常添加并提示添加成功。删除设备需要输入正确的设备号和对应的设备地址才能够进行删除设备操作；删除人员也需要输入正确的工号和对应的用户名才能够进行删除操作。

图7 管理员中心界面

3.2.2 实时状态

在实时状态界面设置余量不足弹窗和设备信息查询功能。当切换到该界面时，网页后台先查询设备表中余量为“0”的设备，将设备地址返回网页，并使用弹窗显示，管理人员通过返回的地址信息及时补充该地址设备的卷纸，这样能够有效地避免用户无纸可取的情况发生。如果设备表中没有缺纸设备时则直接显示“通过设备号查找设备”的输入框，管理人员只要输入存在设备表中的设备号，便可查看对应的设备当前的设备号、设备地址、换纸次数和当前卷纸余量。

点击菜单栏中的实时状态，跳转到实时状态界面，设备表中存在余量为“0”的设备时，将弹出如图8所示的提示框，在实时状态界面的输入栏中输入正确的设备号进行查看时，可以得到该设备的当前信息，如图9所示。

图8 弹窗信息提醒

图9 设备信息实时状态

3.2.3 用纸记录和用纸统计

用纸记录界面主要是用于查看管理范围内各个设备的用纸情况。当卷纸消耗异常时能够通过查看用纸记录确定异常的时间段，从而进一步发现存在的问题，及时进行处理并在日后加以预防。用纸统计界面通过条形统计图直观呈现系统内所有设备的累计换纸次数，对于换纸次数异常的设备，则可以通过查询该纸盒一天内的换纸次数进行核对，及时发现盗纸现象，还能为之后采购卷纸提供数量参考。点击菜单栏中的用纸统计即可进入用纸统计界面，在用纸统计界面能够直接显示系统中所有设备的用纸条形统计图，当输入设备号时，可查看该设备在各日期的换纸数据。查询设备号为“2”的设备用纸统计界面如图10所示。

图10 用纸统计界面

4 结 语

本文设计的智能公共纸盒系统能够通过控制出纸量，解决随意多用或盗用的问题，避免出现资源浪费现象，还可以远程提醒管理人员及时补充卷纸，解决纸盒缺纸时用户长时间无纸可取的问题。该智能公共纸盒实用性强，适用范围广，更能够满足当前社会需求。