基于WSN和GSM的城市垃圾智能監測系統設計

　　摘要：針對現代社會(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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ))技術(shù)對城市垃圾箱狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的設計。通過(guò)安裝在垃圾箱上的傳感器裝置，檢測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)設備上，了解垃圾箱當前狀態(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)對市民的危害。通過(guò)大量的研究和系統實(shí)地測試，結果表明該設計方案有效可行，數據能夠準確可靠傳輸，發(fā)生異常時(shí)信息通過(guò)短信方式能及時(shí)發(fā)送到手機設備上。

　　引言

　　隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的快速發(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。據統計，我國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，而中國每年就產(chǎn)生近1.5億噸的城市垃圾，到2010年全國城市生活垃圾累積堆存量已達70億噸^[1-2]。城市街道、社區以及旅游景區等地方，經(jīng)常會(huì )出現垃圾堆積成山狀況，特別是一些地方的垃圾箱由于不能及時(shí)得到清理導致垃圾過(guò)多，嚴重污染環(huán)境以及影響城市面貌，同時(shí)由于人為或自然因素導致垃圾燃燒而產(chǎn)生有害氣體，特別是在一些商業(yè)街區、火車(chē)站、景區等人員密集的地方，不但污染空氣，而且對人體造成危害，甚至可能引發(fā)火災。針對以上問(wèn)題，設計了一種基于WSN和GSM技術(shù)，以城市中垃圾箱為監測對象，對垃圾箱狀態(tài)進(jìn)行檢測并將信息反饋到移動(dòng)終端設備實(shí)時(shí)監測系統。文中對系統總體框架、WSN組網(wǎng)、具體硬件電路實(shí)現以及軟件設計等方面進(jìn)行了詳細分析設計，通過(guò)實(shí)驗證明了設計的可行性、穩定性以及實(shí)用性。

　　系統總體架構原理

　　根據城市中垃圾箱分布特點(diǎn)，采取區域劃分的方式進(jìn)行監測管理，把所有垃圾箱劃分為若干個(gè)區域，選取距離較近垃圾箱組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器監測網(wǎng)絡(luò )，采用“多跳”路由通信方式，把垃圾箱狀態(tài)信息發(fā)送到匯聚節點(diǎn)整合處理，利用GSM網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)到清潔管理人員手持移動(dòng)設備上，實(shí)時(shí)了解垃圾箱當前狀態(tài)。系統總體結構如圖1所示。

　　在垃圾箱入口處布置傳感器節點(diǎn)，安裝位置如圖2所示。利用光電式傳感器^[3]的遮光式工作原理，檢測垃圾箱是否裝滿(mǎn)。為了避免由于垃圾掉入導致傳感器錯誤檢測，當光電傳感器檢測到有物體遮擋時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間，如檢測狀態(tài)不變則確定垃圾箱已滿(mǎn)。通過(guò)煙霧傳感器檢測是否有垃圾燃燒。

　　硬件單元設計

　　傳感器節點(diǎn)

　　傳感器節點(diǎn)主要完成數據的采集。由于節點(diǎn)需要長(cháng)時(shí)間運行，應采用最低端的MCU，硬件電路結構盡量簡(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、增強工業(yè)標準的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]到傳感器節點(diǎn)實(shí)際工作環(huán)境和節點(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)電源管理電路向節點(diǎn)供電。傳感器節點(diǎn)結構如圖3所示。

　　匯聚節點(diǎn)

　　匯聚節點(diǎn)應具有較強的處理、存儲和通信能力，采用三星公司的S3C2410作為匯聚節點(diǎn)的主控制器，S3C2410最高工作頻率達203MHz，體積小、功耗低，擁有豐富片外資源，匯聚節點(diǎn)硬件結構如圖4所示。電源模塊使用直流電源和電池相結合供電，電源管理芯片具有電平轉換以及對電池進(jìn)行充電等功能。節點(diǎn)提供JTAG調試接口，只需外接調試器即可進(jìn)行系統在線(xiàn)調試，方便系統程序的二次開(kāi)發(fā)。無(wú)線(xiàn)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1km以上，增加網(wǎng)絡(luò )覆蓋的范圍，增強節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)能力。