本文利用低功耗的MSP430單片機(jī)作為主控芯片，用NB-IoT 作為通訊模塊，設(shè)計(jì)一款低功耗、可廣覆蓋、大規(guī)模部署的智能垃圾桶，且配置的 NB-IoT 模塊可為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和控制提供支持?？朔爽F(xiàn)有研究中智能垃圾桶 功耗大、報(bào)警功能單一、分布距離受限制、移植性差的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

垃圾桶的主控芯片為低功耗的MSP430單片機(jī)，當(dāng)沒(méi)有采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低功 耗。通訊模塊使用 NB-IoT 無(wú)線模塊，NB-IoT 使用電信運(yùn)營(yíng)商的基站發(fā)送數(shù)據(jù)，既保證了通信質(zhì)量的可靠性，也省去了像 短距離無(wú)線通信技術(shù)自組網(wǎng)的復(fù)雜步驟。傳感器和按鍵等 外設(shè)都是預(yù)留的接口，可以編寫(xiě)不同的程序以驅(qū)動(dòng)不同的 外設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下對(duì)垃圾桶功能的需求，具有很強(qiáng)的 移植性。

1.1傳感器檢測(cè)模塊

本文設(shè)計(jì)的垃圾桶使用超聲波傳感器和重力傳感器同時(shí) 檢測(cè)垃圾桶滿溢狀態(tài)，可有效避免垃圾桶虛滿情況。

1.1.1超聲波測(cè)距模塊

該垃圾桶使用 HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊。超聲波傳感器放置在垃圾桶上方的側(cè)面，用于測(cè)量垃圾桶內(nèi)垃圾的高度。

MSP430 單片機(jī)給超聲波傳感器的Trig 引腳大于 10 s 的高電平信號(hào)，超聲波模塊就會(huì)自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40KHz 的超聲波脈沖，并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。若檢測(cè)到返回信號(hào)，Echo引腳會(huì)輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到 返回的時(shí)間 t，這樣就可以計(jì)算出垃圾桶內(nèi)的垃圾高度 s。但此時(shí)超聲波模塊的測(cè)量結(jié)果，并不是判定垃圾桶已滿的最終 依據(jù)。當(dāng)超聲波模塊測(cè)量到垃圾桶已滿時(shí)，還需啟動(dòng)重力傳 感器模塊測(cè)量垃圾的重量。

1.1.2重力傳感器測(cè)重力

為了降低功耗，重力傳感器模塊只有在超聲波傳感器的檢測(cè)結(jié)果達(dá)到了閾值才會(huì)啟用。本研究使用微型重力傳感器， 放置在垃圾桶底部并由塑料外殼包裹。重力傳感器通過(guò)導(dǎo)線連接到MSP430 單片機(jī)的IO 口上，當(dāng)需要采集垃圾桶內(nèi)的垃圾重力數(shù)據(jù)時(shí)，MSP430 單片機(jī)才啟動(dòng)這個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。若采集到垃圾的重量到達(dá)了閾值，則發(fā)送警告信息。若垃圾的重量未達(dá)到閾值，則過(guò)段時(shí)間再次采集垃圾桶內(nèi)垃圾的重力數(shù)據(jù)。

1.2 NB-IoT 模塊

無(wú)線模塊使用的是移遠(yuǎn) BC95 NB-IoT 模組。BC95 是一款高性能、低功耗的 NB-IoT 無(wú)線通信模塊。其尺寸僅為23.6mm×19.9mm×2.2mm，較小的體積也使得我們的硬件模塊尺寸更小。NB-IoT 模塊在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)工作在省電模式，功耗極低。NB-IoT 模塊還具備海量連接的能力，NB-IoT 的一個(gè)扇區(qū)能夠支持 10 萬(wàn)個(gè)連接，可以達(dá)到各種場(chǎng)合垃圾桶連接數(shù)量的要求。

1.3按鍵及可拓展接口設(shè)計(jì)

硬件模塊預(yù)留了接口以便實(shí)現(xiàn)一些拓展功能。在特定場(chǎng)所下，如在動(dòng)物園中小朋友走丟就可以按下求救按鈕。MSP430 單片機(jī)檢測(cè)到按鈕的外部中斷后就會(huì)立刻通過(guò) NB-IoT 模組將報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)，平臺(tái)可協(xié)助給與幫助。

除了擴(kuò)展性，還有很強(qiáng)的適用性。在生產(chǎn)過(guò)程中，可以批 量生產(chǎn)硬件模塊，當(dāng)系統(tǒng)硬件應(yīng)用在特定場(chǎng)所時(shí)只需要修改 程序并添加相應(yīng)的外設(shè)即可。

2 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖 1 所示。

當(dāng)硬件程序開(kāi)始工作時(shí)，每間隔 30 分鐘進(jìn)行一次超聲波測(cè)距，用來(lái)檢測(cè)垃圾桶內(nèi)垃圾的高度是否超過(guò)閾值。當(dāng)沒(méi)有采集任務(wù)時(shí)，MSP430 單片機(jī)工作在休眠狀態(tài)，處于低功耗模式。當(dāng)傳感器檢測(cè)垃圾桶內(nèi)的垃圾已滿時(shí)，MSP430 單片機(jī)就向NB-IoT 模塊發(fā)送AT 指令，NB-IoT 模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)處理。

圖 1 主程序流程圖

垃圾桶內(nèi)的垃圾是否已滿的判定規(guī)則為：在超聲波傳感器檢測(cè)到垃圾的高度超過(guò)閾值后，MSP430 單片機(jī)就會(huì)啟動(dòng)重力傳感器測(cè)量垃圾的重量。如果垃圾桶內(nèi)垃圾的重量未達(dá)到 閾值，則認(rèn)為當(dāng)前垃圾桶處于虛滿狀態(tài)，此時(shí)不向云平臺(tái)發(fā)送 已滿的警告消息。只有檢測(cè)到垃圾高度和垃圾質(zhì)量都超過(guò)了 閾值才會(huì)向云平臺(tái)發(fā)送已滿報(bào)警數(shù)據(jù)。