基于NB-IoT的校园智能废品分类回收箱的设计

苑颖 丁永贤

摘  要：为助力校园废品分类回收工作全面开展，通过对宁夏区内高校学生的垃圾分类意识和影响因素的调查分析，针对校园场景设计一款以STM32F103VET6作为系统控制核心，集硬件模块、NB-IoT通信技术、物联网云平台和管理软件系统为一体的智能废品分类回收箱，实现废品分类投放、用户识别、重量称重、积分发放等功能。该回收箱有利于培养和提高师生的环保意识，增强师生对于废品分类回收利用的积极性；有利于推动高校生态文明建设，构建“绿色校园”。

关键词：NB-IoT；智能废品分类回收箱；物联网云平台

中图分类号：TN929.5；TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）24-0126-06

Design of NB-IoT-Based Intelligent Waste Separation and Recycling Bins for Campus

YUAN Ying， DING Yongxian

（Yinchuan University of Energy， Yinchuan  750105， China）

Abstract： In order to facilitate the comprehensive development of campus waste separation and recycling work， through the investigation and analysis of the awareness and influencing factors of waste separation among students in colleges and universities in Ningxia， an intelligent waste separation and recycling bin is designed for the campus scene with STM32F103VET6 as the system control core， integrating hardware module， NB-IoT communication technology， IoT cloud platform and management software system to realize the functions of waste separation and disposal， user identification， weight weighing and points distribution. The recycling bin is conducive to cultivating and improving the awareness of environmental protection among teachers and students， and enhancing their enthusiasm for waste separation and recycling. It is also conducive to promoting the construction of ecological civilization in colleges and universities and building a“green campus”.

Keywords： NB-IoT; intelligent waste separation and recycling bin; IoT cloud platform

0  引  言

随着蓝天、碧水、净土保卫战的打响，政府对生活垃圾减量化、无害化和资源化处置愈发重视，目前住建部等12部门联合印发《关于進一步推进生活垃圾分类工作的若干意见》，其中明确指出在2035年全国的生活垃圾回收利用率应达到35%以上[1]。可回收废弃物的持续分类回收是垃圾分类制度建立的关键。

高校是一个微缩社会，伴随着高等教育的逐步普及，学校规模的扩大、大学生人数的增加以及师生生活水平提高，校园生活垃圾数量也随之不断增加。目前高校校园里使用的大多还是传统的垃圾桶，不能有效地进行废品分类投放，难以养成师生废品分类回收的意识。如果采用校园智能废品分类回收箱妥善处理这些垃圾和废品，垃圾分类、可回收废弃物收回的步伐将大大加快。

1  调查分析

本次研究主要以实地走访、问卷调查的方式在宁夏高校范围内，对垃圾分类、可回收废物回收问题进行数据采集。针对不同高校不同年级的人群采用抽样调查的方式进行。同时对采集的数据进行了简单的数据分析。具体如下：

1）对宁夏区内8所本科院校435名学生进行问卷调查，从学生对自己学校现有的分类回收满意度调查数据发现目前对学校现有的分类回收满意度为17.24%，基本满意度为35.63%，不满意度高达47.13%。可以看出目前各院校的废品分类回收工作还有很大的提升空间。

2）从校园内可回收废品排名数据分析可知，快递纸箱成为校园可回收废品之首，占比约97.7%，其次是塑料水瓶、废旧书本、废旧衣物、易拉罐、金属制品。

3）调查发现校园可回收废品的处理方式还处于传统模式。51.72%的学生选择直接扔进垃圾桶，直接丢进垃圾桶的主要原因是无法寻找处理的途径；27.59%学生选择分类投放；17.24%的学生选择送给宿管阿姨；只有3.45%的学生会进行收集后统一贩卖。

由此可见高校垃圾分类、可回收废品回收情况不容乐观。在我们身边真正自觉能正确地做到垃圾分类的师生较少。主要是大学生在生活和学习中还没有形成垃圾分类回收的意识，没有养成垃圾分类回收的习惯。对垃圾分类重要性认识不到位，行动力弱。其次，高校落实垃圾分类机制不完善，校内垃圾分类基础设施不健全，没有合理的垃圾分类回收体系[2]，分类粗糙、一些可回收物无法有效回收（如快递纸箱、水瓶、废旧书本等）。第三，学校对学生垃圾分类、废品回收宣传教育力度不够深入，没有激励及监督学生进行垃圾分类和废品回收。第四，废品回收方式不合理。半数学生认为上门回收是专门废品回收机构的主要操作方式，对于废品更倾向于随手扔，很少一部分学生愿意自行搬往指定地点，导致回收效率低。

因此，开发一款基于NB-IoT的校园智能废品分类回收箱有助于创造更加美好的校园生活学习环境，增强师生对于废品分类回收利用的积极性，牢固树立师生的环保意识，引导广大师生践行绿色生活，以新的生态理念构建“绿色校园”，推进创文提质升级。

2  NB-IoT技术

现有的物联网系统采用的大多数物联网通信技术各异，无法在传输距离、信号覆盖范围、能耗和成本上同时占据优势[3]。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）是物联网领域的新兴技术，支持广域网中低功耗设备的蜂窝数据连接[4]，以广覆盖、大连接、低功耗、低成本等优势，成为万物互联网络的重要分支之一[5]，解决了传统物联网存在的技术碎片化、覆盖不足等问题，极大地提升了物联网的实际应用能力[6]。本项目采用更适合物联网系统传输的NB-IoT通信技术，结合Ti、STM市场现有芯片，设计智能废品分类回收终端的通用性NB-IoT模组及硬件模块电路，具有提升利用率的效果。

3  回收箱总体结构设计

调查显示高校中不同场景下塑料瓶和废纸所占比例都比较大，因此将研究对象范围定位为一款放置在校园公共区域的以回收瓶垃圾和废纸垃圾为主的回收物装置。结合使用环境，对回收箱的结构进行优化设计，设备主要由箱体、系统电源、传感器、内部线槽、显示屏、高清摄像头等部分组成。其结构如图1所示。用户打开移动端管理系统的微信小程序，打开个人二维码，将二维码对准设备的扫码器进行扫描启动智能回收箱，通过确认用户身份，装置会自动开箱接收可回收物的投放。用户按照要求分类投放后，系统自动计数或称重，上传到服务器。根据后台设定规则，将投放的重量或计数转化为碳减排积分发放到对应的用户账户中并实现线上积分兑换礼品奖励，用户可在小程序、设备液晶显示屏中查询。这样使校园的废品分类回收快速交投，提高了可回收废品回收的利用率，同时使校园环境更加整洁。

回收箱是集硬件模块、NB-IoT通信技术、物联网云平台和管理软件系统为一体废品分类回收箱。回收箱硬件部分采用STM32处理器作为采集节点的嵌入式处理器，搭载系统所需要的各式传感器（称重传感器、红外传感器等）[7]及箱体、系统电源、内部线槽、摄像头、显示屏等部件进行开发。软件部分主要是利用微信小程序和后台管理系统实现数据信息的可视化管理。通信模块以NB-IoT作为无线传感网络的数据传输节点，通过NB-IoT通信技术和物联网云平台将软硬件配套开发。物联网云平台在NB-IoT智能终端和移动端管理系统之间承担着承上启下的作用，实现数据传输、存储和中转，最终实现废品分类投放、用户识别、重量称重、积分发放等功能。软硬件系统数据流如图2所示。

4  硬件模块设计

智能废品分类回收箱有以下部分构成：主控芯片STM32、NB-IoT通信模块、传感器检测模块及其他部件，其硬件电路图设计如图3所示。

4.1  主控模块

从本项目的算力需求、任务调度需求、工作环境等多方面考虑，回收箱的主控芯片选择基于CortexM3内核的STM32F103系列的MCU——STM32F103VET6。

该主控模块接收各传感器的监测数据，解析数据之后发送给通信模块传输至服务器[8]。当回收箱不执行数据感知时主控会进入低功率状态，只有在采集和发送数据时才唤醒主控工作[9]。STM32配置了多种类型接口，可实现不同数据的接收，具有较好的可扩展性。

4.2  NB-IoT模塊

通信模块采用移远BC28NB-IoT模组。BC28芯片是一款高性能、低功耗、安全可靠的NB-IoT模组，由中国移动联合华为公司开发，适用于物联网设备连接。BC28芯片通过PC10、PC11引脚连接MCU，MCU通过UART口与传感器和外设连接。智能回收箱内的传感器和MCU将采集到的数据通过BC28模块传输到云端服务器，如箱内废品的状态、填充率、温度、湿度等信息，从而实现数据采集和控制。同时，BC28芯片通过射频天线连接NB-IoT网络，实现数据传输。整个系统可通过物联网云平台进行远程监控和管理。

BC28模块作为NB-IoT通信模块可以为智能垃圾箱提供高效、可靠的数据传输和控制指令传输功能，实现智能回收箱的自动化和智能化。

4.3  传感器检测模块

智能回收箱集成了不同类型的传感器，实现了不同的功能模块，包括回收箱回收物装载容量及满溢状态检测、塑料瓶投递数量检测、回收箱箱体内温湿度及可燃气体数据的检测。

称重选用的是平行梁称重传感器HX711，用于采集回收物装载容量数据。该传感器是一款高精度、低成本采样前端模块，使每次投放都能精准称重。自动称重功能起重大于200 g，最大称重250 kg，显示精度0.01 kg。称重传感器位于回收箱底部，通过PC0、PC1引脚连接MCU，为模拟电压信号后经过AD模块放大转换为数字信号传输至MCU，实现称重数据传输至NB-IoT模块。

满溢状态检测采用超声波HC-SR04传感器，它固定在回收箱的顶部，通过PA5和PA6引脚连接MCU。MCU向超声波模块发射超声波并接收反射回来的信号，计算回收箱内部与超声波模块之间的距离，从而判断回收箱内的废品高度。根据回收箱的大小，设置合适的距离阈值，当回收箱内部的废品堆积高度达到该阈值时，认为回收箱满溢。当检测到回收箱满溢时，自动停用并通过MCU向手机/后台发出警报或发送通知，提醒相关人员及时清理回收箱。

TCRT5000红外计数传感器用于计算用户投放的可回收塑料瓶的数量。它由发射器和接收器组成，发射器向接收器发射红外线，当物体从红外计数器前面经过时，会挡住红外线，接收器会接收不到红外线信号，从而产生计数信号。

MLX90614ESF温湿度传感器与MQ-2烟雾传感器，可自动监测并反馈回收箱内的各项数据。一旦垃圾箱内部温度或湿度过高，烟雾浓度超过设定的阈值，MCU会根据传感器反馈的数据，对垃圾箱内的情况进行分析和判断，并采取相应的措施，如发出警报通知工作人员及时清理回收箱，避免因为废品发生自燃或腐烂等安全事故，实现智能回收箱的智能化管理，提高废品分类回收处理的效率和安全性。

4.4  其他模块

摄像头模块一方面用于采集和识别用户身份信息的二维码，一方面进行实时或非实时监控，避免出现乱投放的现象；智能电磁门锁实现回收箱的箱体开关的自动化，同时兼具防盗功能，关门后投口门自动上锁；配置的人体感应模块，用于黑暗环境下，识别用户的存在；LCD液晶屏用于显示用户信息、投放重量、奖励金额/积分；语音提示模块向使用者提醒回收箱的使用规则和注意事项，如分类投放、废品种类、回收箱清理等。用户只需按照语音提示进行操作，即可正确地使用回收箱，避免因投放错误导致的废品分类不当、废品溢出等问题，让投递更方便；配电箱将220 V电压转换为24 V的安全电压，主要是为了保证主控板的安全，也保证了用户与工作人员的安全。同时为确保断电的情况可以正常的工作，内置了24 V电源。

4.5  硬件系统流程设计

回收箱通电初始化后，检查服务器是否发送指令，有则接受指令并解析、执行指令；若无，启动人体红外检测，检测是否有人靠近。若有，指示灯亮，继续检测是否扫描二维码，二维码正确识别后打开箱门，投放回收物，传感器会对回收物信息进行采集并封装上传至服务器。上传成功后，关闭箱门并显示结算信息。整个流程循环进行，具体流程如图4所示。

5  管理平台设计

为了高效解决校园内资源浪费的问题，客户端基于微信小程序进行开发[10]。用户的功能需求实现通过微信小程序，页面采用与小程序配套的WXML和WXSS实现，并通过添加JavaScript代码实现页面的动态效果；系统管理员功能需求实现基于Web端，采用云服务器、SpringBoot框架与MySQL开发，实现数据的可视化管理。整体功能设计如图5所示。

管理员Web端通过验证登录后，可实现对用户的管理、商品管理、决策图表和活动公告的设置。用户的管理包含对具体用户信息的基本信息管理、用户消息管理、用户余额变动明细、用户垃圾投放情况统计及异常投放情况的统计和处理；商品管理包含商品分类设置、商品设置、商品兑换查询；决策图表通过统计每日用户数量增长表、每周用户数量增长表、校园用户数量统计表和废品投放统计表来查看用户投放使用情况，为后续提升用户的使用率提供数据依据。废品投放情况表如图6所示。

用户通过小程序界面“我的”查看用户信息、投放记录、资金明细、身份认证和消息列表等信息。用户信息包含用户个人头像、昵称、手机号码、性别等信息；投放记录中有年投放量、本月投放量、今日投放量和投放的种类、数量和时间；资金明细中包括投放奖励、系统扣除、提现明细和用户的余额信息。用户可在资金明细中查看自己对应的奖励积分，并可通过主页的积分兑换功能以适当的积分兑换相应的商品，或者以积分抵消商品部分价格进行购买。管理员在后台对兑换商品进行管理。积分兑换商品可与校园周边商家联合，提高用户废品分类回收的积极性；身份认证是指进行身份实名认证，认证之后就可以进行投放、资金入户及积分兑换；消息列表用来接收小程序推送的消息。通过用户投放记录和累计投放成功的次数，生成本校积分排行榜，并实时在主页显示个人排名。通过该排行榜，用来激励用户使用的积极性。主页上除了有排行榜和积分兑换功能以外还包括爱心公益和通告栏两部分。爱心公益模块向用户推送废品分类回收利用、垃圾分类、保护环境和节约能源等方面的知识和活动，潜移默化地向用户灌输绿色环保的知识，培养和提高师生废品分类回收意识，调动用户使用废品分类回收平台的积极性；通告栏模块是小程序自我宣传的有效手段，主要发布一些志愿服务、勤工俭学活动和学校近期的新闻动态，吸纳更多的学生参与到校园废品分类回收处理的工作中，在现实生活中体验资源回收。微信小程序首页如图7所示。

6  结  论

针对校园场景设计、无键化扫码操作，基于NB-IoT通信技术设计并实现了一款校园智能废品分类回收箱，可以实现身份识别、分类回收、实时监控、积分兑换等功能，推进了校园生活废品分类回收工作的全面开展，引导广大师生以新的生态理念，打造“绿色低碳校园”。

参考文献：

[1] 江一凡.高校低值可回收物智能分类垃圾桶设计研究 [D].上海：上海工程技术大学，2021.

[2] 白佳宁，李前珍，陈银，等.基于小程序的校园垃圾分类回收系统设计 [J].现代商贸工业，2020，41（24）：149-151.

[3] 朱玉洁.基于NB-IoT的智能垃圾桶管理系统及其可靠性研究 [D].杭州：杭州电子科技大学，2020.

[4] RATASUK R，VEJLGAARD B，MANGALVEDHE N，et al. NB-IoT System for M2M Communication [C]//2016 IEEE Wireless Communications and Networking Conference.Doha：IEEE，2016：428-432.

[5] OH S-M，SHIN J. An Efficient Small Data Transmission Scheme in the 3GPP NB-IoT System [J].IEEE Communications Letters，2017，21（3）：660-663.

[6] SINHA R S，WEI Y Q，HWANG S-H. A Survey on LPWA Technology： LoRa and NB-IoT [J].ICT Express，2017，3（1）：14-21.

[7] 胡煜，王勋，陶铭.基于NB-IoT的智能垃圾桶系统设计与实现 [J].物联网技术，2021，11（5）：96-98+103.

[8] 朱文剑.物联网智能垃圾桶 [J].家庭科技，2021（11）：17-18.

[9] 戚逸然.基于NB-IoT的垃圾回收智能管理系统研究与实现 [D].苏州：苏州大学，2020.

[10] 孙秀娟，陆建业，梁志广.基于微信小程序的校园智能回收平台的设计 [J].北京工业职业技术学院学报，2022，21（2）：21-25.

作者简介：苑颖（1979—），女，汉族，山西浑源人，

教授，硕士，研究方向：数据分析与挖掘、物联网应用；丁永贤（1979—），男，汉族，宁夏中卫人，副教授，硕士，研究方向：物联网应用、嵌入式系统、计算机网络。

收稿日期：2023-05-09

基金項目：2022年宁夏回族自治区教育厅高等学校科学研究项目（NYG2022132）；2022年银川能源学院科学研究项目（2022-KY-Z-4）