2023基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧公廁管理系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧公廁管理系統(tǒng)引言近幾十年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，信息和通信技術(shù)在全球各方面都占據(jù)著主導(dǎo)地位[1]。城在過去幾年中，信息科技技術(shù)的發(fā)展和研究一直依賴于物聯(lián)網(wǎng)[2]的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)平臺為大多數(shù)電子設(shè)備提供收集、處理和監(jiān)控各種類型數(shù)據(jù)的設(shè)施?，F(xiàn)在，國內(nèi)的大城市的公共衛(wèi)生間，硬件條件較好的，也只有單獨的烘手機和蹲位空閑顯示，極少的高級場所配有自動洗手機、氣味檢測等設(shè)備。而在中小城市乃至縣城的公共衛(wèi)生間，則大部分都是較為老舊的，甚至有些沒有抽水沖廁的坑位，這對公共衛(wèi)生是很大的挑戰(zhàn)，同時也對管理者造成不便。而且公共廁所的密度設(shè)置也存在不合理現(xiàn)象，有些人流量不大的地方的公廁密度高于人流量很大的地方，這樣就造成了資源和空間的浪費。國內(nèi)絕大部分公廁都沒有配備自動洗手機等個人消殺設(shè)備，而是采用比較傳統(tǒng)的手動按壓式洗手、消毒和沖洗，這樣不可避免地會產(chǎn)生人員間接接觸，增大傳染疾病交叉感染的風(fēng)險。[4]主要針對在智慧城市的視角下進(jìn)行智慧公廁的設(shè)計，[5]雖然在對智慧公廁的功能模塊、所用技術(shù)方面有較為全面的介紹，但相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)和方法卻涉及很少。在我們實際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，上海市松江區(qū)的智慧公廁系統(tǒng)落地較多，但在功能上只停留在對公廁內(nèi)狀況的檢測上，并沒有利用相關(guān)數(shù)據(jù)對公廁內(nèi)相關(guān)功能模塊進(jìn)行控制。[6]等先進(jìn)技術(shù)，搭建公廁管理云平臺。通過數(shù)字化、智能化達(dá)到公人流量檢測的功能。設(shè)計需求20201470網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展使這種需求成為了可能。4坑位智能顯示系統(tǒng)組成模塊該系統(tǒng)主要組成智能洗手機模塊，坑位智能顯示模塊，異味檢測與清除模塊以及溫濕度調(diào)節(jié)模塊。這些模塊都會將所依附的傳感器數(shù)據(jù)的采集去實時顯示在我們智能公廁管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)組成模塊如圖1所示：Figure1.Systemcompositionmodule圖1.系統(tǒng)組成模塊智能洗手機及人流檢測模塊，利用紅外傳感器感應(yīng)人手并出液，由于紅外傳感器可能會出現(xiàn)受光線影響的異常出液可能出現(xiàn)的誤操作的情況，對現(xiàn)有的設(shè)備做了兩種改進(jìn)。另外該模塊配置熱釋電紅外傳感器進(jìn)行人體的探測，基于該傳感器還可以進(jìn)行人流的監(jiān)測，對使用洗手機的人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，以方便管理人員及時更換耗材，并輔助整個廁所的人流量統(tǒng)計。在坑位門上部署門磁傳感器，在坑位擁有紅外測距傳感器。該模塊會對坑位進(jìn)行監(jiān)測并進(jìn)行可視化的數(shù)據(jù)的顯示。在空間內(nèi)擁有異味檢測與清除模塊，檢測到空氣質(zhì)量影響人員體驗時，會主動使用開啟空氣凈化器以及排氣扇消除異味。智能洗手機及人流檢測模塊智能洗手機進(jìn)行出液操作通過熱傳感器進(jìn)行人體的感應(yīng)，但如果僅僅依據(jù)溫度，容易出現(xiàn)洗手液的誤觸問題。在人員流量監(jiān)測領(lǐng)域，對于機器視覺的應(yīng)用會使得人流量的統(tǒng)計更加精準(zhǔn)[7]，但公共廁所其實是一個相對隱私的環(huán)境，且對人流量統(tǒng)計的精度要求沒有很高，熱釋電紅外傳感器作為性價比較高的熱紅外探測器，目前作為門禁系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于多種公共場所。由于熱釋電紅外傳感器[2]本身所具有的低功耗、低成本、便于安裝且不涉及人體隱私等優(yōu)良特性，利用熱釋電紅外傳感器實現(xiàn)人體目標(biāo)定位且紅外傳感器對于人體熱紅外信號比較敏感。因此，我們使用熱釋電紅外傳感器作為人流統(tǒng)計模塊的檢測工具。我們同時將該傳感器集成于智能洗手機中，通過統(tǒng)計洗手機的使用次數(shù)，輔助人員統(tǒng)計。同時在智能公廁的男女廁入口門口設(shè)置一個熱釋電紅外傳感器，實現(xiàn)使用人數(shù)的統(tǒng)計。熱釋電紅外傳感器[5]是利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射的光接收器件，其敏感單元主要采用鉭酸鋰、鈮酸鋰等熱釋電材料，通過真空鍍膜工藝在上下兩個表面制備電極，并在上表面鍍一層黑色氧化膜來提高熱釋電晶體的轉(zhuǎn)換效率。RE200B型熱釋電紅外傳感器的等效電路如圖2所示，其原理結(jié)構(gòu)上傳感器元件類似一個電容器，當(dāng)Figure2.Circuitdiagramofpyroelectricinfraredsensor圖2.熱釋電紅外傳感器電路圖3710μ.20um內(nèi)，其魯棒性較強。HC-SR501RE200BBISS0001數(shù)模混3.3V高電平，當(dāng)無人時，則輸出低電RE200B型熱釋電紅外傳感器和HC-SR501型熱釋電紅外開關(guān)如3、圖4所示：Figure3.Pyroelectricinfraredsensor圖3.熱釋電紅外傳感器Figure4.HC-SR501typepyroelectricinfraredswitch圖4.HC-SR501型熱釋電紅外開關(guān)Figure5.Humanentryandexitjudgmentdiagram圖5.人體進(jìn)出判斷示意圖人體進(jìn)出判斷示意圖如圖5A傳感器，1功能，當(dāng)有人離開，目標(biāo)先觸及B1功能。人流監(jiān)測系統(tǒng)流程圖如圖6所示：由1可得，該系統(tǒng)對于單人的計數(shù)統(tǒng)計監(jiān)測效果較好，基本不會出現(xiàn)誤差。但對于一些多人并行對該情況進(jìn)行分析討論。Table1.Experimentaltestresults表1.實驗測試結(jié)果進(jìn)出統(tǒng)計人工統(tǒng)計系統(tǒng)監(jiān)測誤差連續(xù)單人40400斷續(xù)單人40400連續(xù)多人40373Figure6.Flowchartofhumanflowdetectionsystem圖6.人流檢測系統(tǒng)流程圖坑位智能顯示模塊()顯示在每個坑位門上LED該部分主要依靠門磁傳感器，門磁傳感器的原理就是，當(dāng)磁鐵接近時，電線輸出閉合信號，當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離時，兩條電線輸出開路信號。不帶電線的一端裝在門的頂部，帶電線的一端裝在門框上。當(dāng)廁門關(guān)好時，兩端正好重疊接近。其基本原理電路圖如圖7所示：Figure7.Doormagneticsensorbasicprinciplecircuitdiagram圖7.門磁傳感器基本原理電路圖氣味檢測與清除模塊廁所臭味的來源主要是人體排泄的尿液以及糞便種含有的刺激性氣味的物質(zhì)，影響廁所臭味的主要氣體是尿液中的尿素分解反應(yīng)后產(chǎn)生的氨氣味，但其臭味不是非常明顯，而廁所中大部分臭味主要來自糞便，究其原因就是糞便在腸道的形成過程中產(chǎn)生，一般是由糞便排泄物經(jīng)發(fā)酵代謝等作用產(chǎn)生的混合氣體等揮發(fā)性物質(zhì)引起的，由于這些物質(zhì)往往是含氮，硫，氫，氧等元素的有機化合物，通過復(fù)雜的化學(xué)作用會產(chǎn)生氨氣、硫化氫等有強刺激性氣味的氣體，臭味往往是這些混合氣體作用的結(jié)果。惡臭氣體除造成感覺污染外，對人體呼吸、內(nèi)分泌等方面也有較大危害，并可能伴隨致癌風(fēng)險[9]，增加疾病發(fā)生的危險性。在智慧公廁的氣味檢測模塊只需要檢測氨氣和硫化氫濃度的模塊即可。通過氣體傳感器檢測公廁中各種氣體的含量，含量達(dá)到一定值時，及時進(jìn)行通風(fēng)以及通風(fēng)程度，并適時調(diào)節(jié)空氣凈化器的工作狀態(tài)，同時，由于普通用戶對氣體濃度數(shù)值所代表的空氣狀態(tài)不甚了解，所以系統(tǒng)采用優(yōu)、良好，一般、較差四個等級將相應(yīng)狀況顯示于公廁門外可視化界面，以提醒工作人員和使用者公廁內(nèi)部環(huán)境狀況，方便工作人員介入人力清掃以保持公廁環(huán)境的清潔、干凈。G22TGS2602的工作原理是：出信號導(dǎo)出。TGS2602氣體傳感器如圖8所示：Figure8.TGS2602gassensor圖8.TGS2602氣體傳感器溫濕度調(diào)節(jié)模塊1840%70%時，人體感覺最舒適。所以，為了檢測環(huán)境溫濕度的變化，需要在公廁內(nèi)安裝溫濕度檢測本系統(tǒng)中溫濕檢測模塊采用的是數(shù)字式傳感器可靠性和穩(wěn)定性?；局笜?biāo)如下：該傳感器采用全量程校定標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度高，并且其響應(yīng)時間<5s，響應(yīng)時間快，低功耗，信號傳輸距離長，適用于公廁環(huán)境。DHT11溫濕度傳感器如圖9所示：該溫濕度傳感器可以將溫度和濕度復(fù)合顯示，通過溫濕度檢測模塊，檢測廁所內(nèi)的空氣質(zhì)量和溫濕度，從而調(diào)節(jié)廁所內(nèi)的通風(fēng)度、空調(diào)溫度、空氣加濕器工作，相關(guān)數(shù)值顯示在可視化界面中。Figure9.DHT11temperatureandhumiditysensor圖9.DHT11溫濕度傳感器控制器模塊ARMCortex-M332A/DSTM32主控制器如10所示：Figure10.STM32controller圖10.STM32控制器系統(tǒng)架構(gòu)ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)[10]。其特設(shè)備。方便傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備拓?fù)鋱DZigBeeZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過大，其設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙?1所示：數(shù)據(jù)管理平臺如12APPAPPFigure11.Devicetopologydiagram圖11.設(shè)備拓?fù)鋱DFigure12.Datamanagementplatform圖12.數(shù)據(jù)管理平臺Figure13.Visualdisplayinterface圖13.可視化顯示界面智慧公廁管理系統(tǒng)顯示界面將廁所內(nèi)信息集成在一起可視化顯示，置于公廁最顯眼的位置，幫助用戶引導(dǎo)到空位，了解當(dāng)前廁所內(nèi)環(huán)境，溫濕度，協(xié)助管理人員管理，并設(shè)有反饋系統(tǒng)，方便用戶反饋使用情況，用戶可以通過觸屏13所示?？偨Y(jié)本文提出了一種智慧公廁的解決方案，該方案融合各種傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，致力于為城市市民提供良好的公共衛(wèi)生環(huán)