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 模塊可為實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和控制提供支持。克服了現(xiàn)有研究中智能垃圾桶 功耗大、報警功能單一、分布距離受限制、移植性差的問題。

1 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

垃圾桶的主控芯片為低功耗的MSP430單片機(jī)，當(dāng)沒有采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)時，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 無線模塊，NB-IoT 使用電信運營商的基站發(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，可以編寫不同的程序以驅(qū)動不同的 外設(shè)來實現(xiàn)不同場景下對垃圾桶功能的需求，具有很強(qiáng)的 移植性。

1.1傳感器檢測模塊

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

1.1.1超聲波測距模塊

該垃圾桶使用 HC-SR04 超聲波測距模塊。超聲波傳感器放置在垃圾桶上方的側(cè)面，用于測量垃圾桶內(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，超聲波模塊就會自動發(fā)送 8 個 40KHz 的超聲波脈沖，并自動檢測是否有信號返回。若檢測到返回信號，Echo引腳會輸出高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到 返回的時間 t，這樣就可以計算出垃圾桶內(nèi)的垃圾高度 s。但此時超聲波模塊的測量結(jié)果，并不是判定垃圾桶已滿的最終 依據(jù)。當(dāng)超聲波模塊測量到垃圾桶已滿時，還需啟動重力傳 感器模塊測量垃圾的重量。

1.1.2重力傳感器測重力

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結(jié)果達(dá)到了閾值才會啟用。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，MSP430 單片機(jī)才啟動這個模塊進(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，則過段時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 的一個扇區(qū)能夠支持 10 萬個連接，可以達(dá)到各種場合垃圾桶連接數(shù)量的要求。

1.3按鍵及可拓展接口設(shè)計

硬件模塊預(yù)留了接口以便實現(xiàn)一些拓展功能。在特定場所下，如在動物園中小朋友走丟就可以按下求救按鈕。MSP430 單片機(jī)檢測到按鈕的外部中斷后就會立刻通過 NB-IoT 模組將報警數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺，平臺可協(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)用在特定場所時只需要修改 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

主程序流程圖如圖 1 所示。

當(dāng)硬件程序開始工作時，每間隔 30 分鐘進(jìn)行一次超聲波測距，用來檢測垃圾桶內(nèi)垃圾的高度是否超過閾值。當(dāng)沒有采集任務(wù)時，MSP430 單片機(jī)工作在休眠狀態(tài)，處于低功耗模式。當(dāng)傳感器檢測垃圾桶內(nèi)的垃圾已滿時，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到垃圾的高度超過閾值后，MSP430 單片機(jī)就會啟動重力傳感器測量垃圾的重量。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)，此時不向云平臺發(fā)送 已滿的警告消息。只有檢測到垃圾高度和垃圾質(zhì)量都超過了 閾值才會向云平臺發(fā)送已滿報警數(shù)據(jù)。