基于GPRS的智能垃圾满溢报警系统设计

王磊

（新疆农业大学计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

基于GPRS的智能垃圾满溢报警系统设计

王磊

（新疆农业大学计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

针对城市中垃圾箱满溢后导致垃圾大量堆积及二次污染等问题，设计了一种基于GPRS的智能垃圾满溢报警系统，用于实时监测垃圾箱满溢状态。该系统利用垃圾对红外线光束是否遮挡在光电传感器产生电平变化的原理检测垃圾满溢状态，并通过MCU驱动GPRS模块自动向指定人员发送垃圾箱是否满溢的相关短信，通知相关人员及时清运垃圾。实验结果和现场应用效果表明，该系统能准确检测垃圾满溢状态，报警信息发送及时，极大地提高了垃圾清运工作效率，有效地解决了垃圾堆积造成的二次污染等问题，对智能城市建设有重要意义。

GPRS单片机智能垃圾箱垃圾满溢报警

1　引言

随着社会的不断发展和进步以及国内城镇化建设的不断推进，城市中日常生活垃圾与日俱增。据统计，2012年我国城市中垃圾清运量达到1.71亿吨，并以每年10%的速度递增[1]。如何合理有效地安排垃圾的清运与处理是改善城市居民生活的关键，传统的垃圾回收和转运都是依靠相关人员的经验或者使用查询的方式逐个对垃圾箱进行检查及处理，这样不仅耗时耗力，而且效率较低[2-3]。针对以上问题，本文设计通过检测垃圾箱的物位并在垃圾箱满溢的时候实时向工作人员的手机发送一条短信，通知哪些垃圾箱需要清运，从而为垃圾清运的决策和规划提供有力的数据支撑，最终使得垃圾清运工作能够科学高效地运行。

2　系统结构及工作原理

本系统采用STC15F2K16S2单片机作为控制核心，使用6组 对射式红外光电传感器作为检测垃圾物位的传感元件，垃圾箱的物位信息最终是通过GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）模块短信的形式发送给用户的手机。为了方便系统状态指示和参数设置，系统还包含红外解码电路以及LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示）部分。由于GPRS模块的供电要求较为苛刻，因此系统的供电采用DC-DC模块。

系统的结构框图如图1所示，当传感器的光束被满溢的垃圾阻挡时，传感器的信号会立即被单片机捕获到。单片机对传感器的信号处理后，会驱动GPRS模块向预先设置好的手机发送一条垃圾满溢的短信，提醒清运人员对该垃圾箱进行处理。系统的一切参数的查询和设置都是通过操作红外遥控器和LCD显示屏来完成的，该方法较市面的产品具有界面友好、容易操作等优点。

图1　垃圾满溢报警系统结构框图

3　垃圾满溢状态监测

本系统使用相互垂直的6组红外光束检测垃圾箱内的物位状态，传感器分布如图2所示。传感器紧贴垃圾箱投放口安装，如图2（a）所示，当垃圾的高度超过传感器射线高度时，红外光束被遮挡传感器输出高电平，反之传感器输出低电平。为了防止异形垃圾遮挡红外光束导致垃圾满溢误判，本系统采用图2（b）中的交叉布局，当6组传感器同时被遮挡时，控制器判定为垃圾箱满溢，这样有效地提高了垃圾满溢报警的正确率。

以上垃圾满溢监测方法仅适用于“船型”垃圾箱。实验证明该方法对“船型”垃圾箱的满溢状态有较高的识别率，具有安装方便、价格便宜等优点，基本满足现场需求。

图2　垃圾满溢检测示意图

4　GPRS短信通信

GPRS是由全球移动通信系统（GSM）发展而来的无线数据业务，具有通信范围覆盖广、数据传输速率高、运营低成本等优点。其中GPRS网络的短信业务实现简单、用户易学易用，因此本系统采用短信指示垃圾满溢状态及时通知清运人员对垃圾箱进行处理[4]。

本系统的GPRS模块使用有方科技（Neoway）的M590实现，模块实物如图3所示。

图3　有方科技M590 GPRS模块实物图

该模块具有性能稳定、价格低廉等优点，满足本系统的通信需求。M590模块与MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）或者PC（Personal Computer，个人计算机）之间链接和通信通过AT指令控制，通过AT指令可实现对模块的参数设置、短信的自动发送等功能。本系统用到的AT指令如表1所示。

由于GPRS模块与PC或单片机通过UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）进行通讯，因此在使用前首先要确保通信双方的波特率是相同的，否则无法完成通信，若不一致可使用“AT+IPR=X”命令设置GPRS模块的波特率为X。为了减少回显带来的通信量，可使用ATE0关闭GPRS模块的回显功能。本系统使用中文短信向用户发送垃圾满溢报警信息，因此要使用“AT+CMGF=0”命令将模块设置成PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）模式，同时使用“AT+CMGS=n”命令指定目标手机的号码、短信中心号码以及短信内容的Unicode码等参数，最后必须向模块发送0x1A控制字符启动短信的发送[5-6]。这样报警信息就会自动发送到清运人员的手机上，并指示当前垃圾箱的状态。

表1　常用AT指令表

5　系统硬件设计

系统的微控制器采用宏晶科技的STC15F2K16S2单片机，此款单片机采用增强型51内核，外设丰富且成本低廉。垃圾物位感知使用对射式红外传感器，其有效感知距离可达5m，输出信号为继电器通断信号方便电路设计。GPRS通信模块使用有方科技的E590模块，通过UART与微控制器链接。液晶显示模块使用Nokia 5110模块，该模块具有84×48个点阵，满足系统应用需求。为了保证系统的性能，电源部分采用LM2956 DC-DC电源模块。

系统硬件使用2层板的布线方式，元件大多采用SMD（Surface Mounted Devices，表面贴装器件）贴片封装以减少PCB板的体积。由于本系统涉及射频部分电路，在PCB布局布线时将射频部分和数字电路部分进行了隔离处理，以增强系统的电磁兼容性。系统控制器主板PCB图如图4所示。

图4　垃圾满溢报警系统控制器主板PCB图

图5　垃圾满溢报警系统程序流程图

6　系统软件设计

由于本系统的实时性要求较高，而程序任务量较少，因此考虑使用中断结合大循环的程序架构。这样不仅可以提高开发效率，又能保证系统的健壮性。

系统的程序流程图如图5所示，单片机上电后首先对LCD、Timer、外部中断、UART以及GPRS模块进行了初始化，使得系统的外设都工作在特定模式。在对外设初始化后，程序进入while(1)循环并始终执行该循环体内的用户逻辑代码。外部中断与定时器中断结合，用于测量红外遥控信号的脉宽，实现对红外遥控信号的软件解码。UART对应的TXD和RXD与GPRS对应的引脚链接，通过AT指令控制GPRS模块发送垃圾箱满溢状态。

下面介绍本系统的红外遥控的软件解码和GPRS模块短信发送的设计思路及实现过程。

（1）红外遥控解码

由于红外遥控具有低成本、低功耗、高可靠等特点，已经在生活和工业的各个方面得到了广泛的应用。本设计采用的遥控使用uPD6121G作为编码芯片，调制方式采用脉宽调制，使用正脉宽为0.565ms、周期为1.125ms的方波作为逻辑0，而正脉宽为0.565ms、周期为2.25ms的方波作为逻辑1，调制波形如图6所示。表示键值的二进制串由32个位组成，通过38kHz载波进行二次调制以提高发射效率。

图6　红外遥控脉宽调制波形

每个键值对应的二进制数据帧都由引导码、用户识别码、用户识别反码、键值码、键值反码组成。通过使用外部中断检测正脉宽的边沿并结合Timer定时器，可以测量每个二进制码对应的脉宽和周期，并结合通信帧格式提取键值。

（2）GPRS模块短信发送

由于本系统使用中文短信指示垃圾满溢状态，因此GPRS模块应通过“AT+CMGF=0”命令设置为PDU模式，短信的目标手机号码、短信中心号码、短信长度以及短信内容等信息通过“AT+CMGS”命令进行设置。此外，在PDU模式下中文短信内容必须转化成对应的Unicode码，否则不能被手机正确接收并解析。例如：在使用“AT+CMGS”设置完短信长度后，向GPRS模块发送“0891683108501905F011000B818161 809017F60008A712519C59274E1C8DEF0032003053F 76EE16EA2”，表示向18160809716的号码发送短信内容为“农大东路20号满溢”的短信。当短信内容填充到GPRS模块后，必须通过串口发送一个十六进制的控制字符“0x1A”来启动短息的发送，当GPRS模块向MCU回复“+CMGS:xx”后，表明短信已发送成功。

7　结论

本文介绍了一种基于GPRS的智能垃圾满溢报警系统的设计，实现了对垃圾箱满溢状态的实时监控，解决了垃圾回收不及时造成的城市环境二次污染等问题。通过在乌鲁木齐市新市区40套及沙依巴克区25套满溢报警系统的应用效果表明，本系统性能稳定可靠，极大地方便了垃圾回收人员对辖区内垃圾箱满溢状态的掌握，这会给城市垃圾清运工作带来便捷，加快文明环保的城市建设进程。

[1] 北京市统计局,国家统计局北京调查总队. 北京市统计年鉴2012[M]. 北京: 中国统计出版社, 2012.

[2] 李铁锋. 城市垃圾的危害与处置[J]. 石河子科技, 2010(3): 5-6.

[3] 王艾荣,陈刚,于丽娜,等. 浅析城市生活垃圾处理现状与资源化对策[J]. 广东化工, 2010,37(7): 227-229.

[4] 陈新伟,王俊,沈睿谦. 基于GPRS的远程检测无线电子鼻系统[J]. 农业机械学报, 2015(4).

[5] 陈琦,丁天怀,李成,等. 基于GPRS/GSM的低功耗无线远程测控终端设计[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2009(2): 223-225.

[6] 陈凤美. 基于GPRS短信模块的远程数据控制系统[J].数字通信世界, 2010(7): 65-66.

[7] 聂永丰. 我国生活垃圾处理技术现状及发展方向探讨[J]. 环境经济, 2005(10): 30-35.

[8] 严雪萍,成立,韩庆福,等. 基于GPRS的远程数据采集系统设计[J]. 微计算机信息, 2008(2): 115-117.

[9] 李迎春,张佑生. GSM短消息在无线数据采集与监控中的应用[J]. 计算机工程与应用, 2004(3): 213-215.

[10] 王建兰,张延龙. 利用短信实现自动转报系统故障报警的技术[J]. 航空维修与工程, 2009(2): 54-55.★

王磊：工学硕士毕业于西安科技大学，现任新疆农业大学计算机与信息工程学院助教，从事教学与科研工作，主要研究方向为智能控制及物联网。

Design of GPRS-Based Spill-over Warning System of Intelligent Garbage Can

WANG Lei
(Institute of Computer & Information Engineering of Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

In view of the problems of garbage accumulation and secondary pollution after garbage can overfl owing, a GPRS-based spill-over warning system of intelligent garbage can was designed to monitor the state of garbage can in real time. It uses IR-photoelectric sensor as the garbage detection element and uses GPRS module to send massage and indicate whether the can is spill over or not through MCU, so as to notify the relevant personnel to remove garbage timely. Experiment and application results show that this system can detect the state of overflowing accurately and send massage in time, greatly improve the working effi ciency of garbage removal and solve the problem of secondary pollution. The system has signifi cance to construction of smart city.

GPRSMCUintelligent garbage cangarbage spill-over alarm

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.16.016

TP29

A

1006-1010(2015)16-0082-04

2015-07-27

责任编辑：袁婷yuanting@mbcom.cn

引用格式：王磊. 基于GPRS的智能垃圾满溢报警系统设计[J]. 移动通信, 2015,39(16): 82-85.