基于NB-IoT的一种智能环卫装置的设计与实现

2019年 / 第3期 物联网技术
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
97
DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2019.03.029
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]。

图1 NB-loT 应用场景
图2 系统设计框图
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。

收稿日期：2018-10-24 修回日期：2018-11-22
基金项目：福建省自然科学基金资助项目：机动平台室内三维
（3D ）精确定位的关键技术研究（2018J01101）；福建省教育科学规划项目：电子通信专业硕士研究生工程实践创新能力培养机制研究（FJJKCG17131）
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
（厦门大学嘉庚学院 信息科学与技术学院，福建 漳州 363105）
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）03-0097-03
物联网技术 2019年 / 第3期
98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]。

图3 装置结构设计图
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n m
h d =−()
××2314.。

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。

图4 卷纸与盒体规格
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。

校验和数据为前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。

表1 DHT11传感器计算数据
湿 度温 度
校 验Byte4
Byte3Byte2Byte1Byte00010110100000000000111000000000001001001整数
小数
整数
小数
校验和
由以上数据可得，温度Humi （单位：%RH ），温度Temp （单位：℃），校验Check 计算如下：
Humi=byte4_byte3=45.0 Temp=byte2_byte1=28.0Check=byte4+byte3+byte2+byte1=73（Check=Humi+Temp ，校验正确）
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。

图5 NB-IoT 网络结构图
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。

图6 主程序流程图
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纸卫生质量。

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。

表2 温湿度阈值表
参数
时间
第1分钟第2分钟第3分钟…第10分钟第11分钟湿度
/%RH
667075 (7068)
温度/℃222223…5049.5状态正常正常烘干烘干中断正常
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。

图7 短信通知截图
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
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（下转第101页）
半导体快闪记忆器的新记忆设备，由于在体积、重量、传输速率、稳定性、价格等方面有众多优势，因此被广泛地用于便携式装置上，如多媒体播放器、数码相机及A V 器材等。

SD 卡技术是基于FLASH 的存储卡，通过接口界面与驱动器相连，不需要外接电源来维持记忆信息；同时也是一体化的固态介质，功能稳定，不会造成机械性损坏[9]。

SD 卡驱动程序的主要步骤为SD 卡的初始化，向SD 卡发送命令函数，获得响应的接口函数。

SD 卡的初始化是指用户应用程序以文件的形式访问和读取SD 卡上的数据；SD 卡本身只是一种数据介质，不包含文件系统，因此要想以文件系统的形式访问SD 卡，必须先驱动SD 卡，通过调用SD 卡物理层的有关函数来实现驱动。

驱动SD 卡主要实现扇区的读写、获取SD 卡的相关配置信息等。

SD 卡的读写操作都是基于命令的，通过向SD 卡发送相应的命令，获得相应的接口函数控制SD 卡。

通过这些基本的底层驱动接口程序，配合相应的命令，可完成SD 卡的驱动操作[10]。

3.2 SD 卡的FAT32文件系统设计
为了对数据的写入进行有效地管理，能够在SD 卡的PC 端被访问，在SD 卡完成底层驱动后，可按照FAT32文件系统格式对数据进行操作，进而在SD 卡上实现读写文件等操作。

FAT32文件系统是目前微软FAT 类文件系统中的最高版本，采用了32位的文件分配表，可提高利用率，是现今Windows 下常用的硬盘文件系统。

FAT32文件系统设计包括以下步骤：程序的初始化、初始化内存、载入SD 卡、打开文件夹、读写文件等操作[11]。

3.3 软件升级功能的实现
在线更新嵌入式软件的流程如图2所示。

软件部分首先通过SPI 协议对SD 卡进行初始化，完成SD 卡的底层驱
动程序设计，再根据FAT32文件系统组织形式对SD 卡中的数据进行读取或更新，将读取到的数据通过IAP 方式写入FLASH 中，新程序文件写入完成后，用程序实现跳转到指定代码段执行，仪表将运行更新后的嵌入式软件。

4 结 语
嵌入式系统是当前最有发展前景的IT 应用领域之一，传统的嵌入式系统软件升级方式耗时长、成本高。

本文的研究可妥善解决这一问题，同时还能解决一些问题：不需要拆装仪表，避免二次损坏；嵌入式软件本身不包含擦写FLASH 的代码，保证FLASH 不会被误擦写，具备较高的安全性；程序预先载入到RAM ，即使升级过程中发生SD 卡损坏、拔除等异常事件，也不会影响烧录过程，具备较高的可靠性。

图2 在线更新嵌入式软件的流程图
参 考 文 献
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作者简介： 李淑娟（1983—），女，浙江金华人，硕士，讲师，研究方向为事计算机应用和教育技术。

郑昌涛（1998—），男，学生。

作者简介： 叶秀斌（1986—），女，福建漳州人，工学硕士，讲师，研究方向为嵌入式系统设计、物联网与移动通信。

潘依郎（1998—），男，浙江温州人，研究方向为物联网和电子技术。

魏经纬（1998—），男，福建莆田人，研究方向为物联网和计算机技术。

刘慧湟（1998—），女，福建漳州人，研究方向为大数据和物联网。

汪艺璇（1999—），女，安徽芜湖人，研究方向为计算机和数据统计。

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（上接第99页）。