基于WSN和GSM的城市垃圾智能监测系统设计

　　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。