基于WSN和GSM的城市垃圾智能监测系统设计

来源:电子产品世界
关键字:WSN,GSM
发布时间:2013-11-09 16:04

　　摘要：针对现代社会中日益突出的城市垃圾问题，提出了一种利用WSN(无线传感器网络)技术对城市垃圾箱状态进行实时监测的设计。通过安装在垃圾箱上的传感器装置，检测垃圾箱装载程度以及是否有物体燃烧等，利用GSM网络将垃圾箱状态信息实时发送到清洁管理人员手持移动设备上，了解垃圾箱当前状态并及时采取处理措施，防止垃圾过多造成的环境污染以及影响城市面貌，同时避免在人口密集地方垃圾燃烧产生的有害物质对市民的危害。通过大量的研究和系统实地测试，结果表明该设计方案有效可行，数据能够准确可靠传输，发生异常时信息通过短信方式能及时发送到手机设备上。

　　引言

　　随着社会经济的快速发展和城市人口的高度集中，城市垃圾问题变得日益突出。据统计，我国城市生活垃圾平均每年以10%的速度递增。全世界每年产生4.9亿吨垃圾，而中国每年就产生近1.5亿吨的城市垃圾，到2010年全国城市生活垃圾累积堆存量已达70亿吨[1-2]。城市街道、社区以及旅游景区等地方，经常会出现垃圾堆积成山状况，特别是一些地方的垃圾箱由于不能及时得到清理导致垃圾过多，严重污染环境以及影响城市面貌，同时由于人为或自然因素导致垃圾燃烧而产生有害气体，特别是在一些商业街区、火车站、景区等人员密集的地方，不但污染空气，而且对人体造成危害，甚至可能引发火灾。针对以上问题，设计了一种基于WSN和GSM技术，以城市中垃圾箱为监测对象，对垃圾箱状态进行检测并将信息反馈到移动终端设备实时监测系统。文中对系统总体框架、WSN组网、具体硬件电路实现以及软件设计等方面进行了详细分析设计，通过实验证明了设计的可行性、稳定性以及实用性。

　　系统总体架构原理

　　根据城市中垃圾箱分布特点，采取区域划分的方式进行监测管理，把所有垃圾箱划分为若干个区域，选取距离较近垃圾箱组成一个无线传感器监测网络，采用“多跳”路由通信方式，把垃圾箱状态信息发送到汇聚节点整合处理，利用GSM网络转发到清洁管理人员手持移动设备上，实时了解垃圾箱当前状态。系统总体结构如图1所示。

　　在垃圾箱入口处布置传感器节点，安装位置如图2所示。利用光电式传感器[3]的遮光式工作原理，检测垃圾箱是否装满。为了避免由于垃圾掉入导致传感器错误检测，当光电传感器检测到有物体遮挡时，延时一段时间，如检测状态不变则确定垃圾箱已满。通过烟雾传感器检测是否有垃圾燃烧。

　　硬件单元设计

　　传感器节点

　　传感器节点主要完成数据的采集。由于节点需要长时间运行，应采用最低端的MCU，硬件电路结构尽量简单，最大程度降低功耗。选取Chipcon公司推出的CC2430[4]芯片，它的功能模块集成了CC2420RF收发器、增强工业标准的8051MCU、8通道8~14位ADC、可选32/64/128KB闪存、8KB SRAM等，具有超低能耗。考虑到传感器节点实际工作环境和节点低功耗要求，采取“太阳能和充电电池”联合供电模式，太阳能电池板通过充放电控制电路与充电电池相连，充电电池经电源管理电路向节点供电。传感器节点结构如图3所示。

　　汇聚节点

　　汇聚节点应具有较强的处理、存储和通信能力，采用三星公司的S3C2410作为汇聚节点的主控制器，S3C2410最高工作频率达203MHz，体积小、功耗低，拥有丰富片外资源，汇聚节点硬件结构如图4所示。电源模块使用直流电源和电池相结合供电，电源管理芯片具有电平转换以及对电池进行充电等功能。节点提供JTAG调试接口，只需外接调试器即可进行系统在线调试，方便系统程序的二次开发。无线收发模块采用CC2430外加低功耗、高性能射频前端CC2591[5-6]芯片，通信距离可达1km以上，增加网络覆盖的范围，增强节点的无线收发能力。

　　系统软件设计

　　节点软件设计

　　节点软件设计包括传感器节点和汇聚节点。传感器节点主要完成对垃圾箱状态信息采集处理，并通过射频通信模块将处理后的数据传输给汇聚节点。为了降低系统功耗，节点采取“发送-休眠-发送”工作方式，节点以一定的周期采集现场状态信息，并将采集的数据进行处理，提取监测对象状态的特征信息，判断是否发生异常，传感器节点工作流程如图5所示。汇聚节点主要负责整个无线传感器网络的建立、维护以及所有传感器节点数据汇集处理，并将数据通过GSM以短信方式发送至管理人员手机。

　　GSM短信息发送设计

　　控制器S3C2410利用AT指令控制GSM模块通过短信息与终端设备通信，选择Siemens公司推出TC35i[7]作为无线通信GSM模块，可以快速安全可靠的实现数、语音传输、短消息服务(SMS)和传真。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU(协议数据单元)模式的短消息。短信息发送流程如图6所示。设计采用PDU模式收发短信，不仅支持中文短信息，也能发送英文短信息，汉字采用十六进制Unicode编码字符。TC35i常用AT命令如下：

　　(1)AT+CMGF=0，0代表PDU模式，是回车符

　　(2)AT+CSCA=“Telephone”，用于设置短信息中心号码

　　(3)AT+CMGS=“Data length”，设置发送数据长度

　　(4)AT+CMGS=“18328506724”>content ^z，用于向目的地址发送消息content

　　实验结果

　　选择成都理工大学校园内的10个垃圾箱作为测试对象，在每个垃圾箱上安装传感器检测装置，把手机作为接收终端设备。当垃圾箱装满时，隔一段时间后，手机能够接收到异常短信。利用人工生烟的方法，对垃圾箱状态进行改变，采用烟雾传感器检测烟雾浓度。设定烟雾浓度阈值为900ppm，选择测试时间为08：00-08：14，烟雾测试结果如表1所示。结果表明，当烟雾浓度超过设定值时，汇聚节点通过GSM模块发送异常短信，手机可以正常接收。

　　结论

　　本文着重对一些重要电路和关键技术进行分析和设计，并通过现场测试证明了系统运行良好，尽管WSN有很多优点，但是在信号抗干扰、数据传输等方面仍然存在一些不足。通过对硬件设备采取接地、滤波等处理，降低外界信号干扰。同时增加采集数据的频率以及采取滤掉最大值和最小值求平均值等方法，确保数据传输的正确性，降低误码率的发生。设计结构简单、组网容易，通过GSM网络传输信息，实现远程监控和管理，可广泛应用于街道、社区以及景区等地方。

　　参考文献：

　　[1]林娟带.21世纪我国城市生活垃圾问题及分类研究[J].河北农业科学，2010，14(12)：118-120

　　[2]朱兰保，盛蒂.我国城市生活垃圾处理现状及其对策[J].环境卫生工程，2006，14(3)：35-36，39

　　[3] 王俊峰，孟令启.现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006

　　[4] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007

　　[5] 郭渊博，杨奎武，赵俭.ZigBee技术与应用-CC2430设计、开发与实践[M].北京：国防工业出版社，2010

　　[6]马飞，郑云水.基于ZigBee网络的智能铁鞋系统设计[J].电子技术应用，2012，38(12)：34-36

　　[7] 叶卫，胡俊达.基于TC35i GSM模块的短消息收发系统设计[J].电子质量，2008，29(5)：27-29

　　尹克强郭勇成都理工大学信息科学与技术学院（四川成都610051）