基于WSN和GSM的城市垃圾智能監測系統設計

　　摘要：針對現代社會中日益突出的城市垃圾問題，提出了一種利用WSN(無線傳感器網絡)技術對城市垃圾箱狀態進行實時監測的設計。通過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網絡將垃圾箱狀態信息實時發送到清潔管理人員手持移動設備上，了解垃圾箱當前狀態并及時采取處理措施，防止垃圾過多造成的環境污染以及影響城市面貌，同時避免在人口密集地方垃圾燃燒產生的有害物質對市民的危害。通過大量的研究和系統實地測試，結果表明該設計方案有效可行，數據能夠準確可靠傳輸，發生異常時信息通過短信方式能及時發送到手機設備上。

　　引言

　　隨著社會經濟的快速發展和城市人口的高度集中，城市垃圾問題變得日益突出。據統計，我國城市生活垃圾平均每年以10%的速度遞增。全世界每年產生4.9億噸垃圾，而中國每年就產生近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，經常會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得到清理導致垃圾過多，嚴重污染環境以及影響城市面貌，同時由于人為或自然因素導致垃圾燃燒而產生有害氣體，特別是在一些商業街區、火車站、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，甚至可能引發火災。針對以上問題，設計了一種基于WSN和GSM技術，以城市中垃圾箱為監測對象，對垃圾箱狀態進行檢測并將信息反饋到移動終端設備實時監測系統。文中對系統總體框架、WSN組網、具體硬件電路實現以及軟件設計等方面進行了詳細分析設計，通過實驗證明了設計的可行性、穩定性以及實用性。

　　系統總體架構原理

　　根據城市中垃圾箱分布特點，采取區域劃分的方式進行監測管理，把所有垃圾箱劃分為若干個區域，選取距離較近垃圾箱組成一個無線傳感器監測網絡，采用“多跳”路由通信方式，把垃圾箱狀態信息發送到匯聚節點整合處理，利用GSM網絡轉發到清潔管理人員手持移動設備上，實時了解垃圾箱當前狀態。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，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。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，延時一段時間，如檢測狀態不變則確定垃圾箱已滿。通過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

　　傳感器節點主要完成數據的采集。由于節點需要長時間運行，應采用最低端的MCU，硬件電路結構盡量簡單，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收發器、增強工業標準的8051MCU、8通道8~14位ADC、可選32/64/128KB閃存、8KB SRAM等，具有超低能耗。考慮到傳感器節點實際工作環境和節點低功耗要求，采取“太陽能和充電電池”聯合供電模式，太陽能電池板通過充放電控制電路與充電電池相連，充電電池經電源管理電路向節點供電。傳感器節點結構如圖3所示。

　　匯聚節點

　　匯聚節點應具有較強的處理、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行充電等功能。節點提供JTAG調試接口，只需外接調試器即可進行系統在線調試，方便系統程序的二次開發。無線收發模塊采用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，增加網絡覆蓋的范圍，增強節點的無線收發能力。