摘 要：为实现智慧社区的垃圾循环利用，培养居民的环保意识，文中提出了一个基于STM32微控制器的垃圾回收系统，该系统具有称重、扫描二维码、满溢报警以及显示等功能。采用4G模块USR-LTE-7S4通过HTTP协议与微信公众平台通信，系统结合网络时间生成随机字符串，并采用SHA-1安全哈希算法生成签名，保证数据传输的安全性。试验表明，该系统成本低，能够长期稳定运行，值得应用和推广。
关键词：垃圾回收系统；STM32；USR-LTE-7S4；微信公众平台；HTTP；SHA-1
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-00-04
0 引 言
传统社区大多采用垃圾桶进行垃圾回收，存在着垃圾分类难、再生资源循环利用率低、垃圾满时得不到及时清理、人工维护成本高等诸多弊端[1]。
随着物联网技术的发展，为推动垃圾分类、改善社区环境，国内很多社区已开始陆续尝试垃圾智慧回收解决方案[2]。但这些垃圾回收系统均存在成本高昂、功能单一以及使用场景受限等问题。为解决以上问题，本文基于4G模块以及微信公众平台（以下简称“平台”）设计了一套垃圾回收系统。用户先使用系统的二维码扫描枪对垃圾袋上的二维码进行扫描，然后通过按键选择垃圾种类，系统对垃圾称重后，通过4G模块将信息上传到平台，平台返回用户姓名和积分等信息并用液晶模块显示。系统检测到垃圾满时，自动向平台报警，通知工作人员回收。该系统成本极低，可扩展性强，满足了大多数社区的使用场景。
1 系统结构
系统以STM32F103C4T6为主控芯片（以下简称“MCU”）。整体结构如图1所示，各外围模块的功能如下所示：
（1）称重模块：测量回收的垃圾重量，通过4G模块将信息上传到平台。
（2）满溢检测模块：检测垃圾是否已经堆满，若堆满则通过蜂鸣器提醒用户，并通过4G模块向平台报警。
（3）二维码扫描模块：扫描垃圾袋上的二维码，获取用户身份信息，并通过4G模块上传到平台。
（4）显示模块：显示操作提示信息、用户相关信息以及系统异常信息。
（5）4G模块：连接系统和平台，将垃圾重量、种类和二维码上传到平台，然后接收平台返回的用户信息及异常信息。
（6）电源模块：为系统供电，使系统能够独立运行。
（7）其他模块：蜂鸣器，产生提示音和报警音；按键，用来选择垃圾种类。
2 硬件系统设计
2.1 称重模块
称重模块由压力传感器及A/D转换芯片构成，原理图如图2所示。
压力传感器采用JHBL悬臂式传感器，由上下各两片应变片组成桥式电路，输出电压与受到压力线性相关。桥式电路能有效消除共模干扰，提高灵敏度[3]。
A/D转换芯片采用24位精度的HX711，片内集成稳压电源和时钟振荡器，可靠性高；采用差分输入，具有高达128增益的低噪声放大器，采用串行通信协议，其输出速率高达80Hz[4]。
2.2 满溢检测模块
采用一对红外发射与接收管检测系统状态，具有成本低，安装方便，抗干扰好等优点。发射管发射红外线，遇到垃圾被反射回来，接收管接收到时电阻发生变化，输出电压经LM393比较器后输出低电平，采用外部中断方式检测。可通过电位器调节检测范围（3～80 cm），检测角度为30°。
2.3 二维码扫描模块
虽然摄像头成本较低，硬件电路也越来越集成化，但二维码解码涉及图像处理，不仅消耗大量内存资源，且算法复杂，运算量大。本系统选用的MCU的RAM为6 KB，CPU的主频为72 MHz[5]，无法实现稳定、高效的解码工作。因此选用ST2200二维码扫描模块，其内部采用激光头对二维码进行扫描并识别，识别结果以ASCII码通过串口发送至MCU。采用5 V电源供电，无需驱动程序，配置简单，可进行连续的、多种二维码的扫描。不工作时进入休眠状态，以降低功耗。
2.4 其他模块
采用LCD12864作为显示模块，分辨率为128×64，内置16点阵的汉字字库。采用5 V供电，将PSB引脚接地，通过串行模式连接MCU。
按键作为输入，连接MCU的PA4和PA5，按下输出低电平触发MCU外部中断。通过MCU的PA0控制作为输出的蜂鸣器，高电平有效。
2.5 4G模块
为适应多种使用环境，采用4G模块通信。USR-LTE-7S4（以下简称“4G模块”）是一款基于嵌入式Linux系统研发的串口转4G透明传输模块，将MCU输入的串口数据通过4G网络发送，接收返回数据解析为串口数据输出给MCU。集成SIM卡功能，支持联通、移动、电信4G及联通3G和2G网络。通过AT指令配置工作参数，支持自定义注册包、心跳包功能，具有4路Socket连接，支持FTP更新和自更新协议[6]。具有两种工作模式：网络透传模式将串口数据封装为TCP或UDP数据，支持长连接和短连接；HTTPD模式则将串口数据组包为HTTP数据包发送。
考虑平台业务的可扩展性和通信的安全性，选择HTTPD模式；HTTP数据包相较于TCP/UDP数据包长度更大，故采用TDD-LTE网络，其下传输速率能达到下行150 Mb/s，上行速度50 Mb/s，满足系统的实时性要求。
4G模块采用5 V电源供电，串口工作电压为3.3 V，可直接与MCU连接。外接SMA接口的全频段吸盘天线，增益为8 dB。模块采用LED显示工作状态，指示灯引脚LINKA/LINKB、WORK、NET分别为网络连接状B、工作状态和网络状态指示输出。
模块的连接示意图如图3所示。
2.6 电源模块 本系y选用的所有外围模块均采用5 V电源供电，各模块的工作电流见表1所列。
本系统采用12 V锂电池作为电源。稳压电路采用TI的LM2576开关稳压电源，具有3 A的负载驱动能力，完全满足系统运行所需电流；电压调整率和电流调整率都很小，内置过热保护电路和过流保护电路，确保系统稳定运行；相较于线性稳压源，LM2576效率更高，能提供更长的续航时间[7]。
3 软件系统设计
3.1 微信公众平台
平台一方面处理垃圾桶发送的HTTP请求，并返回数据给垃圾桶，另一方面向用户提供垃圾回收的相关服务，包括二维码领取、回收消息提醒、积分管理和意见反馈等。用户需要关注公众号，绑定手机并完善相关信息。根据用户角色的不同，系统分配了不同的权限，普通用户只能接收回收消息提醒，而管理员则可查看垃圾回收的详细信息，处理垃圾桶满溢报警等。平台接受垃圾桶发送的HTTP请求字段见表2所列。
平台返回给垃圾桶的数据格式如下，其中内的内容为必填，[]中的内容为可选，以逗号作为分隔符，即
，，[用户姓名]，[返还金额]
主要有以下5种返回数据：
（1）0，成功，张三，0.5元：表示投放成功，用户名为张三，返还金额为0.5元；
（2）0，成功：满溢报警成功；
（3）-1，签名失败：签名不正确；
（4）-2，签名重复：随机字符串与之前的重复；
（5）-3，用户不存在：无该用户信息。
3.2 系统软件实现
软件整体流程图如图4所示。
3.2.1 系统初始化
系统初始化包括液晶、蜂鸣器、红外对管、称重模块、串口、外部中断和定时器的初始化。初始化完成后，用户按下垃圾投放按钮，手动选择垃圾种类，随后进行二维码扫描、称重，最后将二维码信息、垃圾种类和垃圾重量通过HTTP发送到平台，平台返回处理结果，并通过液晶显示。另一方面，当垃圾桶满时，红外对管输出低电平，触发外部中断，此时蜂鸣器响，并将满溢报警信息发送至平台。
3.2.2 二维码扫描
ST2200自动扫描二维码，扫描结果为字符串形式，以回车符（0x0D）结尾，通过串口发送到MCU。采用USART1中断接收，当检测到回车符且100 ms内未接收到其他字符时则发送结束，并存储二维码信息。
3.2.3 称重
HX711通过串行接口与MCU连接，读取重量时，先将时钟引脚拉低，使能AD，然后查询数据引脚，当其为低电平时，转换结束。随后控制时钟引脚发送一个脉冲并读取数据引脚，完成1 b的读取，连续读取24次后得到转换结果。转换结果最后通过线性变换得到真实重量。称重时，连续读取重量，当相邻几次平均变化小于5 g时，完成称重。
3.2.4 HTTP请求
完成一次HTTP请求的过程如图5所示。
由于SHA1算法要求原始数据具有防冲突性，即每次发送的随机字符串不重复。通常产生随机数采用rand函数，首先调用srand函数初始化随机数种子，当随机数种子相同时，会导致rand函数产生的随机数为固定序列，因而产生的是伪随机数[8]，无法满足要求。为产生不重复的随机字符串，采用以下方法：
（1）向平台发送请求，获取当前网络时间，系统返回时间字符串如20161220132748，取后10个字符为1220132748，记为St；
（2）采用rand函数连续产生6个随机数，查找随机数对应的ASCII字符，得到6个字符，将St与之结合得到随机字符串。由于随机字符串包含了当前时间，即使rand函数具有相同的随机数种子，也能得到不重复的随机字符串。
3.2.5 签名参数
签名参数包含ticket和随机字符串。ticket为4G模块与平台通信的临时票据，为避免频繁刷新，简化流程，采用用户自定义的固定ticket，长度为86个字符。将ticket和随机字符串（nonceStr）采用字典序排序，最后加上请求的URL，中间用“&”连接。
3.2.6 SHA-1
为保证通信的安全性，采用SHA-1加密算法对上述字符串加密，得到20个字节的签名（signature）。SHA-1是一种散列算法，能将任意长度的信息映射为固定长度的唯一值，散列值和原始信息一一对应。其加密性强，不可逆，无法通过散列结果推出原始信息[9]。
用M表示原始信息，其长度为n b，哈希值分别为H0、H1…H5，每个值为32 b。ROTLk表示左移k位。SHA-1算法流程如下：
SHA-1预处理
（1）补充消息：将M转换为二进制，然后添加1个二进制“1”和k个二进制“0”，使得n+1+k≡448mod512，最后添加64 b的消息长度信息；
（2）消息分块：将消息分为N个512 b的数据块，记为M（1）、M（2）…M（N），每个数据块可分为16个32 b的小数据块，记为M0（i）、M1（i）...M15（i）；
（3）哈希值初始化：参照SHA-1标准，初始化H0、H1…H5的值，记为H0（0）、H1（0）…H5（0）；
4 仿真和实验
首先采用Http Requester代替4G模块向平台发送POST请求，以验证在各种情况下平台返回的数据是否正确，如图6所示。测试投放塑料瓶，平台返回数据，其中包含用户姓名、投放垃圾类型以及返还金额。
最后进行系统测试，分别测试满溢报警以及投放纸质垃圾，液晶显示如图7（a）所示，平台推送消息如图7（b）所示。
5 结 语
为推动智慧社区的垃圾分类，基于STM32设计了一套垃圾回收系统，采用4G模块通信，使得该系统可适应不同的使用环境。采用微信公众平台提供服务，向用户反馈垃圾回收信息。相对于现有的垃圾回收系统成本低，适用场景广，具有友好的人机接口和报警机制，值得应用和推广。
参考文献
[1]邓俊，徐琬莹，周传斌.北京市社区生活垃圾分类收集实效调查及其长效管理机制研究[J].环境科学，2013， 34（1）：395-400.
[2]佚名.北京：“垃圾智慧分类”进社区[J].城乡建设， 2016（1）：38.
[3]王来志，王小平.基于电阻应变片式传感器的电子秤设计[J].物联网技术，2014，4（2）：58-60.
[4]海芯科技.HX711电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片[R]. 2011.
[5] ST Microelectronics Corporation.STM32x4/STM32x6 Datasheet[Z].2010.
[6]济南有人物联网技术有限公司.USR-LTE-7S4 V1.0.5[Z].2016.
[7] Wang M. High Reliable MCU Power Supply Design Based on LM2576[Z].International Electronic Elements， 2004.
[8] Mccullough B D.Random Number Generation and Monte Carlo Methods[M].Random Number Generation and Monte Carlo Methods. Springer，2004：431-432.
[9] U.S. Department of Commerce. Secure Hash Standard - SHS： Federal Information Processing Standards Publication 180-4[M].CreateSpace Independent Publishing Platform， 2012.
