基于WSN和GSM的城市垃圾智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)現(xiàn)代社會(huì)中日益突出的城市垃圾問(wèn)題，提出了一種利用WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)對(duì)城市垃圾箱狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)。通過(guò)安裝在垃圾箱上的傳感器裝置，檢測(cè)垃圾箱裝載程度以及是否有物體燃燒等，利用GSM網(wǎng)絡(luò)將垃圾箱狀態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到清潔管理人員手持移動(dòng)設(shè)備上，了解垃圾箱當(dāng)前狀態(tài)并及時(shí)采取處理措施，防止垃圾過(guò)多造成的環(huán)境污染以及影響城市面貌，同時(shí)避免在人口密集地方垃圾燃燒產(chǎn)生的有害物質(zhì)對(duì)市民的危害。通過(guò)大量的研究和系統(tǒng)實(shí)地測(cè)試，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案有效可行，數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確可靠傳輸，發(fā)生異常時(shí)信息通過(guò)短信方式能及時(shí)發(fā)送到手機(jī)設(shè)備上。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/170158.htm

關(guān)鍵詞：城市垃圾問(wèn)題；WSN；GSM；垃圾箱狀態(tài)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.006

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的高度集中，城市垃圾問(wèn)題變得日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市生活垃圾平均每年以10%的速度遞增。全世界每年產(chǎn)生4.9億噸垃圾，而中國(guó)每年就產(chǎn)生近1.5億噸的城市垃圾，到2010年全國(guó)城市生活垃圾累積堆存量已達(dá)70億噸[1-2]。城市街道、社區(qū)以及旅游景區(qū)等地方，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)垃圾堆積成山狀況，特別是一些地方的垃圾箱由于不能及時(shí)得到清理導(dǎo)致垃圾過(guò)多，嚴(yán)重污染環(huán)境以及影響城市面貌，同時(shí)由于人為或自然因素導(dǎo)致垃圾燃燒而產(chǎn)生有害氣體，特別是在一些商業(yè)街區(qū)、火車(chē)站、景區(qū)等人員密集的地方，不但污染空氣，而且對(duì)人體造成危害，甚至可能引發(fā)火災(zāi)。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于WSN和GSM技術(shù)，以城市中垃圾箱為監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)垃圾箱狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并將信息反饋到移動(dòng)終端設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中對(duì)系統(tǒng)總體框架、WSN組網(wǎng)、具體硬件電路實(shí)現(xiàn)以及軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可行性、穩(wěn)定性以及實(shí)用性。

系統(tǒng)總體架構(gòu)原理

根據(jù)城市中垃圾箱分布特點(diǎn)，采取區(qū)域劃分的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，把所有垃圾箱劃分為若干個(gè)區(qū)域，選取距離較近垃圾箱組成一個(gè)無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，采用“多跳”路由通信方式，把垃圾箱狀態(tài)信息發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)整合處理，利用GSM網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到清潔管理人員手持移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)時(shí)了解垃圾箱當(dāng)前狀態(tài)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)的采集。由于節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，應(yīng)采用最低端的MCU，硬件電路結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，最大程度降低功耗。選取Chipcon公司推出的CC2430[4]芯片，它的功能模塊集成了CC2420RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU、8通道8～14位ADC、可選32/64/128KB閃存、8KB SRAM等，具有超低能耗?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)際工作環(huán)境和節(jié)點(diǎn)低功耗要求，采取“太陽(yáng)能和充電電池”聯(lián)合供電模式，太陽(yáng)能電池板通過(guò)充放電控制電路與充電電池相連，充電電池經(jīng)電源管理電路向節(jié)點(diǎn)供電。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有較強(qiáng)的處理、存儲(chǔ)和通信能力，采用三星公司的 S3C2410作為匯聚節(jié)點(diǎn)的主控制器，S3C2410最高工作頻率達(dá)203MHz，體積小、功耗低，擁有豐富片外資源，匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。電源模塊使用直流電源和電池相結(jié)合供電，電源管理芯片具有電平轉(zhuǎn)換以及對(duì)電池進(jìn)行充電等功能。節(jié)點(diǎn)提供JTAG調(diào)試接口，只需外接調(diào)試器即可進(jìn)行系統(tǒng)在線調(diào)試，方便系統(tǒng)程序的二次開(kāi)發(fā)。無(wú)線收發(fā)模塊采用CC2430外加低功耗、高性能射頻前端CC2591[5-6]芯片，通信距離可達(dá)1km以上，增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)能力。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)垃圾箱狀態(tài)信息采集處理，并通過(guò)射頻通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。為了降低系統(tǒng)功耗，節(jié)點(diǎn)采取“發(fā)送-休眠-發(fā)送”工作方式，節(jié)點(diǎn)以一定的周期采集現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)的特征信息，判斷是否發(fā)生異常，傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示。匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)以及所有傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯集處理，并將數(shù)據(jù)通過(guò) GSM以短信方式發(fā)送至管理人員手機(jī)。

GSM短信息發(fā)送設(shè)計(jì)

控制器S3C2410利用AT指令控制GSM模塊通過(guò)短信息與終端設(shè)備通信，選擇Siemens公司推出TC35i[7]作為無(wú)線通信GSM模塊，可以快速安全可靠的實(shí)現(xiàn)數(shù)、語(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù)（SMS）和傳真。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）模式的短消息。短信息發(fā)送流程如圖6所示。設(shè)計(jì)采用PDU模式收發(fā)短信，不僅支持中文短信息，也能發(fā)送英文短信息，漢字采用十六進(jìn)制Unicode編碼字符。TC35i常用AT命令如下：

選擇成都理工大學(xué)校園內(nèi)的10個(gè)垃圾箱作為測(cè)試對(duì)象，在每個(gè)垃圾箱上安裝傳感器檢測(cè)裝置，把手機(jī)作為接收終端設(shè)備。當(dāng)垃圾箱裝滿(mǎn)時(shí)，隔一段時(shí)間后，手機(jī)能夠接收到異常短信。利用人工生煙的方法，對(duì)垃圾箱狀態(tài)進(jìn)行改變，采用煙霧傳感器檢測(cè)煙霧濃度。設(shè)定煙霧濃度閾值為900ppm，選擇測(cè)試時(shí)間為08：00-08：14，煙霧測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，當(dāng)煙霧濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)GSM模塊發(fā)送異常短信，手機(jī)可以正常接收。

本文著重對(duì)一些重要電路和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明了系統(tǒng)運(yùn)行良好，盡管WSN有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在信號(hào)抗干擾、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫒匀淮嬖谝恍┎蛔?。通過(guò)對(duì)硬件設(shè)備采取接地、濾波等處理，降低外界信號(hào)干擾。同時(shí)增加采集數(shù)據(jù)的頻率以及采取濾掉最大值和最小值求平均值等方法，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，降低誤碼率的發(fā)生。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)容易，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，可廣泛應(yīng)用于街道、社區(qū)以及景區(qū)等地方。