基于NB-IoT的一種智能環(huán)衛(wèi)裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

葉秀斌 潘依郎 魏經(jīng)緯 劉慧湟 汪藝璇

摘 要：隨著公共場所衛(wèi)生設(shè)施的改進(jìn)與公共用紙的普及，為避免免費用紙的浪費，方便環(huán)衛(wèi)工人的日常管理，基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計了一種智能環(huán)衛(wèi)裝置。采用STC89C52單片機控制電機，結(jié)合多種傳感器，實現(xiàn)感應(yīng)出紙、自動烘干、終端監(jiān)測等功能，解決了智能管理與環(huán)保衛(wèi)生等實際問題，保證了公共場所免費供紙與環(huán)境衛(wèi)生的有效管理。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;環(huán)衛(wèi)裝置;42步進(jìn)電機;傳感器;公共場所;人工智能

中圖分類號：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧城市建設(shè)成為未來的發(fā)展趨勢，公共環(huán)衛(wèi)設(shè)施作為智慧城市的一部分，需要逐步實現(xiàn)信息化、智能化。目前，日益普及的公共環(huán)衛(wèi)裝置功能單一，無法實現(xiàn)智能管理及便捷使用，還存在用紙浪費，紙質(zhì)衛(wèi)生得不到保障等缺陷。本文基于NB-IoT技術(shù)，設(shè)計了一款具有自動出紙，帶干燥功能的智能節(jié)能公共環(huán)衛(wèi)裝置，便于后勤管理，避免用紙浪費、用戶缺紙及紙質(zhì)受潮等問題，符合當(dāng)今社會提倡的節(jié)能環(huán)保需求。

1 基于NB-loT技術(shù)的設(shè)計思路

1.1 NB-IoT技術(shù)應(yīng)用

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是5G時代的三大標(biāo)準(zhǔn)之一，主要面向物聯(lián)網(wǎng)場景，以其容量低、覆蓋廣、成本低和功耗低等優(yōu)點在智慧城市建設(shè)中扮演著重要角色。NB-IoT應(yīng)用場景如圖1所示。

NB-IoT通信技術(shù)解決了監(jiān)測覆蓋及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}。將其作為智能環(huán)衛(wèi)裝置監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)支撐，具有部署靈活、低功耗、廣覆蓋、大連接及低成本五大優(yōu)勢，是目前物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)的前沿[1]。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

智能環(huán)衛(wèi)裝置以單片機STC89C52為控制中樞，由超聲波測距模塊、數(shù)字溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、遠(yuǎn)紅外線電熱膜模塊、液晶顯示觸摸模塊、NB-IoT通信模塊、步進(jìn)電機、驅(qū)動電路及電源模塊組成，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示[2]。

根據(jù)以上系統(tǒng)框圖，要求實現(xiàn)以下功能[3]：

（1）單片機控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動出紙;

（2）超聲波傳感器監(jiān)測用紙情況;

（3）人體紅外傳感器感應(yīng)自動出紙;

（4）數(shù)字溫濕度傳感器檢測紙盒內(nèi)部溫濕度，判斷衛(wèi)生用紙是否干燥;

（5）紅外電熱膜根據(jù)濕度適時烘干潮濕紙張;

（6）NB-IoT通信模塊實時傳輸裝置將紙張使用，溫濕度等情況傳輸至手機終端。

2 智能環(huán)衛(wèi)裝置設(shè)計

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的智能環(huán)衛(wèi)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，盒體為長方體塑料材質(zhì)。前后蓋板中心由滾軸連接，并與步進(jìn)電機相連，由單片機控制出紙長度[4];盒體頂部裝置檢測卷紙厚度的超聲波傳感器;底部鋸齒狀出紙口處利用人體紅外傳感器感應(yīng)出紙;左側(cè)面安裝數(shù)字溫濕度傳感器檢測紙盒內(nèi)部環(huán)境，在潮濕或低溫時由裝置底部的紅外熱膜烘干紙張;右側(cè)放置電路板與顯示裝置狀態(tài)的液晶顯示模塊，并具有3個獨立按鍵進(jìn)行設(shè)置出紙長度、裝置復(fù)位等功能;電路板包含NB-IoT通信模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及更新，可發(fā)送卷紙狀態(tài)、空氣溫濕度、機器運行情況等信息至手機終端[4]。

2.2 模塊設(shè)計原理

2.2.1 旋轉(zhuǎn)部件

本設(shè)計選用兩相四線混合式的42步進(jìn)電機作為裝置的旋轉(zhuǎn)部件，其扭矩為0.46 N·m，細(xì)分3 200步/轉(zhuǎn)，采用L298N芯片驅(qū)動，實現(xiàn)出紙動作。為防止步進(jìn)電機通過回路干擾單片機，對步進(jìn)電機采用獨立供電[4-5]。根據(jù)人為設(shè)置出紙長度m，控制電機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)。其中：h為盒體高度;d為超聲波測距傳感器測量值。

2.2.2 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊主要作用是實時檢測卷紙剩余量。本設(shè)計采用US-100超聲波測距傳感器，通過在單片機TX管腳輸入0X55（波特率9 600 b/s），系統(tǒng)可發(fā)出8個40 kHz的超聲波脈沖檢測回波信號。當(dāng)檢測到回波信號后，模塊還要進(jìn)行溫度值的測量，并根據(jù)當(dāng)前溫度對測距結(jié)果進(jìn)行校正，將校正后的結(jié)果通過RX管腳輸出[6]。輸出的距離值共兩個字節(jié)，第一個字節(jié)是距離的高8位（HData），第二個字節(jié)為距離的低8位（LData），則距離值為d=HDxta×256+LDats（單位：mm）。卷紙剩余量可由卷紙厚度m體現(xiàn)，即m=h/2-d-r，其中，h為盒體高度，r為卷紙卷棒半徑，卷紙與盒體規(guī)格如圖4所示。

2.2.3 數(shù)字溫濕度模塊

數(shù)字溫濕度模塊主要是檢測裝置內(nèi)部空氣溫濕度并依此判斷紙張是否受潮。此模塊為DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，采用單線制串行接口，直接與單片機的I/O口相連[7]。采用單總線數(shù)據(jù)格式。其數(shù)據(jù)包由5 Byte（40 bit）組成，分小數(shù)部分和整數(shù)部分，高位先出，數(shù)據(jù)格式為8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗和。

校驗和數(shù)據(jù)為前4個字節(jié)相加，傳感器數(shù)據(jù)輸出的是未編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)（濕度、溫度、整數(shù)、小數(shù)）之間分開處理[7]。讀取傳感器某次數(shù)據(jù)見表1所列。

2.2.4 NB-IoT通信模塊

本設(shè)計使用NB-IoT通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將環(huán)衛(wèi)裝置狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)分為前端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和云平臺三個部分。前端由N個安裝在各公共場所的智能環(huán)衛(wèi)裝置的數(shù)據(jù)采集節(jié)點組成，負(fù)責(zé)采集裝置內(nèi)部的溫度、濕度、卷紙厚度等信息，并按照時間點在線實時或離線發(fā)送。傳輸網(wǎng)絡(luò)使用NB-IoT技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)卡連接至移動網(wǎng)絡(luò)，基于云服務(wù)的CoAP協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，由智慧環(huán)衛(wèi)信息處理系統(tǒng)處理后發(fā)送短信至手機進(jìn)行實時監(jiān)控。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 程序設(shè)計與測試結(jié)果

3.1 程序設(shè)計

本設(shè)計通過C語言編程控制單片機STC89C52內(nèi)部的控制電路以及I/O接口，來實現(xiàn)各個功能模塊。程序主要包括初始化LCD、DHT11數(shù)字溫濕度模塊函數(shù)、超聲波傳感器US-100模塊函數(shù)、NB-IoT傳輸函數(shù)、HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊函數(shù)、旋轉(zhuǎn)硬件函數(shù)及按鍵掃描函數(shù)[9-10]。根據(jù)主程序流程調(diào)用以上各函數(shù)控制裝置，如圖6所示。

當(dāng)HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊檢測到人手接近，則驅(qū)動步進(jìn)電機出紙。設(shè)計三個獨立按鍵用于設(shè)置出紙量，分別為復(fù)位、增紙量及減紙量。通過按鍵掃描檢測是否按下鍵位及按下哪個鍵位。

通過DHT11數(shù)字溫濕度模塊檢測溫濕度，設(shè)置濕度閥值啟動熱膜，并設(shè)置達(dá)到溫度閥值關(guān)閉熱膜，實時控制遠(yuǎn)紅外電熱膜加熱開關(guān)保證衛(wèi)生卷紙衛(wèi)生質(zhì)量。

3.2 測試結(jié)果

根據(jù)衛(wèi)生紙的干濕及紅外熱膜狀態(tài)對比得出一組最合適的溫濕度閥值。當(dāng)檢測濕度超過設(shè)定值75%RH時，啟動紅外熱膜進(jìn)行加熱，直至溫度超過閾值50℃時關(guān)閉紅外熱膜[11-12]。溫濕度閾值測試數(shù)據(jù)見表2所列。

當(dāng)超聲波傳感器US-100模塊檢測到剩余紙量m<1 cm，液晶顯示屏顯示缺紙狀態(tài)，并通過NB-IoT通信模塊發(fā)送短信通知管理人員換紙，短信截圖如圖7所示。

4 結(jié) 語

經(jīng)過軟硬件聯(lián)調(diào)與測試，各模塊均可正常工作，并實現(xiàn)既定技術(shù)指標(biāo)。但在功能上還有待完善之處，后期可設(shè)計用戶APP，增加二維碼支付購買紙張、GPS定位、呼叫幫助、氣味檢測等功能，也可作為家庭使用，成為智能家居的一部分。此智能環(huán)衛(wèi)裝置作為智慧城市物聯(lián)網(wǎng)的一部分，可減少目前普遍存在的公共用紙浪費，有利于公共資源的有效管理。整個裝置成本低，實用性強，可向廣大家庭、公衛(wèi)、學(xué)校、酒店等公共衛(wèi)生區(qū)域推廣。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]孫迪科.基于NB-IoT技術(shù)的油煙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].移動通信，2017，41（22）： 41-45.

[2]何燦隆，沈明霞，劉龍申，等.基于NB-IoT的溫室溫度智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，39（2）：117-124.

[3]葉秀斌.一種衛(wèi)生紙智能出紙裝置：ZL201621065154.X [P].2017-08-01.

[4]馬文斌，楊延竹，洪運.步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（11）：11-13.

[5]姜書政，王桂海.基于AT89S52單片機的電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（7）：138-140.

[6]蘭羽.具有溫度補償功能的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2013，36（2）：85-87.

[7]卜永波，羅小玲，陳一.基于DHT11傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)[J].計算機與現(xiàn)代化，2013（11）：133-135.

[8]邵海龍，梁嵇暉.智能窗簾控制系統(tǒng)[J].微型機與應(yīng)用，2017，36（4）：56-58.

[9]陳致遠(yuǎn)，朱葉承，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（9）：138-140.

[10]崔冰清，褚麗莉，杜仁鵬. 基于單片機和GSM的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017，36（7）：50-52.

[11]高偉康.基于STM32的兩相四線步進(jìn)電機高精度驅(qū)動器設(shè)計[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2017.

[12]王明浩，吳韶波. 基于智慧城市建設(shè)的NB-IoT應(yīng)用研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（7）：79-82.