基于物聯網技術的智慧公廁設計

秦豆豆 郭凱瑞 李宇浩 王美濤

（石家莊鐵道大學 河北省石家莊市 050043）

在世界廁所的演化史中，我國占據了比較發達靠前的位置，相較于歐洲中世紀才出現公共廁所的概念，自春秋戰國時期以來，我國廁所的發展就已經較為規范。廁所的出現為人們的生產生活提供思路，從五谷輪回的傳統思想、農家肥的種植技術、防范疾病的廁所衛生文化，可以看出廁所也是蘊育進步果實的地方。時至今日，廁所依舊可以作為一個區域文明的體現，在習近平總書記對“廁所革命”作出重要指示后，我們得到了如何改善廁所環境、創新廁所發展、提高廁所周邊環境質量的方針，民生得到改善，廁所也搭上了時代發展的快班車。

“廁所革命”以來，我國城鄉社區及旅游區公共廁所設施得到了空前的重視與發展，在融入物聯網、大數據、人工智能等技術后，廁所也變得更為智能智慧化，人們生活也變得更為方便，衛生新習慣新風尚正在形成。

1 背景

在一些大城市中，公共廁所的發展已較為成熟，以天津市北辰區為例[1]，近兩年城市公共廁所的發展突飛猛進。城區從實用角度出發，融入廁所建筑設計、環境衛生、隱私安全、數字智慧化等多個方面對廁所進行了升級并指定了相關的規范說明。在不斷完善的改進下，公共廁所也將成為城市的一個文明窗口，展現發展風采；亦如深圳市南山區的馬家龍公廁，該公廁可利用Wi-Fi聯網，語音提示并配有智能洗手機[2]，南京市公廁在不同地區設立公廁電子地圖，大大方便市民的生活[3]。

但在實際生活中不難發現存在著這樣的現象：相對于理想隨走隨沖的情形，有些公共廁所總是臭烘烘的，以至于臟亂差漸漸成為了其刻板印象。從物理層面講，臟亂差的主要原因在于排泄物無法及時沖走，積攢產生的氨氣沼氣以及尿堿散發出的氣味使人產生抵觸；從人為角度看，一部分人如廁結束后不會去進行手動廁沖，沒有良好的文明習慣，抑或是廁所陳舊臟亂，未得到有效管理。

廁所的文明發展需要一個過程，普及開來的公廁衛生條件的改善也是有目共睹的，結合創新科技，應用于實際生活，本著解決實際需求的想法，本設計選取高校廁所作為公共場合，選取教學樓公共廁所等作為測試地點，實現了一個小型化智慧公廁管理系統。

2 設計思想及基本功能

設計思想：通過架設傳感器感知節點對廁所進行環境監控，將各種數據報上傳至物聯網云端平臺進行處理，同時系統將處理過的信息以某種形式（網頁應用）展現給普通用戶，方便尋找合適坑位；以后臺網頁的形式展示數據給廁所維護管理人員，簡化其工作量。

基本功能：用戶于網頁登錄查看廁所廁位等信息，選好后刷門禁卡，專屬廁門開啟，如廁時廁位顯示有人，其他用戶不得刷卡入該廁位；管理員登錄后臺管理網頁，查看廁所溫濕度、氨氣濃度、坑位信息，沖便信息，管理門禁卡人員信息等。

如圖1所示。

圖1

3 系統設計

3.1 主要應用技術

軟件端：HTML、PHP、MySQL，移動OneNET云平臺，阿里云ECS服務器。

硬件端：STM32、ESP8266-Wi-Fi、HC-SR04超聲波傳感器、DHT11溫濕度。

同步傳輸技術：數據的接收方與發送方共用一根時鐘線，以同定的時鐘順序與數據碼元傳輸數據，達到數據交換的目的。簡單來說，這像是一種面對面的傳輸方式。

異步傳輸技術：數據的接收方與發送方約定好數據傳送的格式，不再使用同步的時鐘線，通過雙方規定好的協議進行數據的接收處理。這就好比古代戰爭中的擊鼓傳信，敲擊多少下后代表一種信息，通過起始與結束等信號傳遞完整的信息。

SPI通信：通過4根線實現數據的雙向同步傳輸，分為主設備與從設備，裝配在廁門上的RFID-RC522芯片模塊負責檢測用戶刷卡開門動作，就是通過SPI與主控芯片通信，達到刷卡接收開門信息的功能。

串口通信：通過兩根數據線與地線實現數據的傳送接收，這是一種異步通信技術，由于其良好的數據收發方式，串口通信可以很簡單的實現遙遠距離的通信。本設計利用串口通信的方式，使ESP8266模塊與STM32芯片連接，硬件端發送數據至物聯網云平臺端，并在網頁應用處實現信息處理與展示功能。

3.2 軟件方案設計

后臺開發概要：網頁前端利用HTML編寫，后端利用PHPStudy中的PHP+MySQL集成環境開發。

數據庫表關系如表1、表2、表3所示。

表1：用戶信息表login_info

表2：學生信息表student_info

表3：開鎖日志信息表openlock_info

PHP后臺數據處理：通過接收移動OneNET云平臺發送過來的數據進行分析，執行數據判斷于命令回傳下發，使硬件端設備收到感應，做出開門動作。簡要代碼如下：

3.3 硬件方案設計

硬件主控選取高主頻運算的STM32芯片，通過C語言設計芯片的驅動程序。將外部傳感器模塊通過總線的方式連接開發主板，將線材隱匿至廁所墻體中，外部搭建工作完成。溫濕度傳感器選取DHT11模塊，該模塊價格低廉，精度合適，完全滿足實際廁所硬件平臺的開發。使用超聲波測距模塊檢測坑位是否有人，該設計方案日后可用紅外人體檢測裝置代替。通過Wi-Fi模塊接收來自移動OneNET云平臺的數據命令，使電磁繼電器控制電磁鎖，達到開關門的功能要求。

4 展望

就此設計而言，有以下幾個方面可以改進：刷卡如廁的方式難免局限，此功能點可升級為二維碼識別開門，由二維碼生成器產生二維碼卡片，從而實現選坑如廁的功能；硬件端Wi-Fi亦可切換為時下新興技術NB-IoT，這樣一來可以免除掉無線路由接入上網的麻煩，在一些Wi-Fi不必要的移動廁所中，可以實施此方案；對于網頁端應用，可以設計一個專有APP軟件，移動端通過地圖的形式將廁位展示出來，顯示附近廁所及坑位使用情況，方便大眾生活，建立新的快捷使用習慣。

從廁所可窺見人類文明進步的縮影，衛生潔凈的用廁空間與環境將助于社會營造新風尚。伴隨著時代的進步，人們的生活質量不斷向好發展，在現代化不斷縱深發展的當下，如何讓生活更體貼，使人的生存環境更友善，這是需要思考的命題。從現實意義出發，公共廁所的智慧化程度提高將有利于物聯網的發展，生活的質量將進一步提高。