基于物联网技术的智慧公厕设计

秦豆豆 郭凯瑞 李宇浩 王美涛

（石家庄铁道大学 河北省石家庄市 050043）

在世界厕所的演化史中，我国占据了比较发达靠前的位置，相较于欧洲中世纪才出现公共厕所的概念，自春秋战国时期以来，我国厕所的发展就已经较为规范。厕所的出现为人们的生产生活提供思路，从五谷轮回的传统思想、农家肥的种植技术、防范疾病的厕所卫生文化，可以看出厕所也是蕴育进步果实的地方。时至今日，厕所依旧可以作为一个区域文明的体现，在习近平总书记对“厕所革命”作出重要指示后，我们得到了如何改善厕所环境、创新厕所发展、提高厕所周边环境质量的方针，民生得到改善，厕所也搭上了时代发展的快班车。

“厕所革命”以来，我国城乡社区及旅游区公共厕所设施得到了空前的重视与发展，在融入物联网、大数据、人工智能等技术后，厕所也变得更为智能智慧化，人们生活也变得更为方便，卫生新习惯新风尚正在形成。

1 背景

在一些大城市中，公共厕所的发展已较为成熟，以天津市北辰区为例[1]，近两年城市公共厕所的发展突飞猛进。城区从实用角度出发，融入厕所建筑设计、环境卫生、隐私安全、数字智慧化等多个方面对厕所进行了升级并指定了相关的规范说明。在不断完善的改进下，公共厕所也将成为城市的一个文明窗口，展现发展风采；亦如深圳市南山区的马家龙公厕，该公厕可利用Wi-Fi联网，语音提示并配有智能洗手机[2]，南京市公厕在不同地区设立公厕电子地图，大大方便市民的生活[3]。

但在实际生活中不难发现存在着这样的现象：相对于理想随走随冲的情形，有些公共厕所总是臭烘烘的，以至于脏乱差渐渐成为了其刻板印象。从物理层面讲，脏乱差的主要原因在于排泄物无法及时冲走，积攒产生的氨气沼气以及尿碱散发出的气味使人产生抵触；从人为角度看，一部分人如厕结束后不会去进行手动厕冲，没有良好的文明习惯，抑或是厕所陈旧脏乱，未得到有效管理。

厕所的文明发展需要一个过程，普及开来的公厕卫生条件的改善也是有目共睹的，结合创新科技，应用于实际生活，本着解决实际需求的想法，本设计选取高校厕所作为公共场合，选取教学楼公共厕所等作为测试地点，实现了一个小型化智慧公厕管理系统。

2 设计思想及基本功能

设计思想：通过架设传感器感知节点对厕所进行环境监控，将各种数据报上传至物联网云端平台进行处理，同时系统将处理过的信息以某种形式（网页应用）展现给普通用户，方便寻找合适坑位；以后台网页的形式展示数据给厕所维护管理人员，简化其工作量。

基本功能：用户于网页登录查看厕所厕位等信息，选好后刷门禁卡，专属厕门开启，如厕时厕位显示有人，其他用户不得刷卡入该厕位；管理员登录后台管理网页，查看厕所温湿度、氨气浓度、坑位信息，冲便信息，管理门禁卡人员信息等。

如图1所示。

图1

3 系统设计

3.1 主要应用技术

软件端：HTML、PHP、MySQL，移动OneNET云平台，阿里云ECS服务器。

硬件端：STM32、ESP8266-Wi-Fi、HC-SR04超声波传感器、DHT11温湿度。

同步传输技术：数据的接收方与发送方共用一根时钟线，以同定的时钟顺序与数据码元传输数据，达到数据交换的目的。简单来说，这像是一种面对面的传输方式。

异步传输技术：数据的接收方与发送方约定好数据传送的格式，不再使用同步的时钟线，通过双方规定好的协议进行数据的接收处理。这就好比古代战争中的击鼓传信，敲击多少下后代表一种信息，通过起始与结束等信号传递完整的信息。

SPI通信：通过4根线实现数据的双向同步传输，分为主设备与从设备，装配在厕门上的RFID-RC522芯片模块负责检测用户刷卡开门动作，就是通过SPI与主控芯片通信，达到刷卡接收开门信息的功能。

串口通信：通过两根数据线与地线实现数据的传送接收，这是一种异步通信技术，由于其良好的数据收发方式，串口通信可以很简单的实现遥远距离的通信。本设计利用串口通信的方式，使ESP8266模块与STM32芯片连接，硬件端发送数据至物联网云平台端，并在网页应用处实现信息处理与展示功能。

3.2 软件方案设计

后台开发概要：网页前端利用HTML编写，后端利用PHPStudy中的PHP+MySQL集成环境开发。

数据库表关系如表1、表2、表3所示。

表1：用户信息表login_info

表2：学生信息表student_info

表3：开锁日志信息表openlock_info

PHP后台数据处理：通过接收移动OneNET云平台发送过来的数据进行分析，执行数据判断于命令回传下发，使硬件端设备收到感应，做出开门动作。简要代码如下：

3.3 硬件方案设计

硬件主控选取高主频运算的STM32芯片，通过C语言设计芯片的驱动程序。将外部传感器模块通过总线的方式连接开发主板，将线材隐匿至厕所墙体中，外部搭建工作完成。温湿度传感器选取DHT11模块，该模块价格低廉，精度合适，完全满足实际厕所硬件平台的开发。使用超声波测距模块检测坑位是否有人，该设计方案日后可用红外人体检测装置代替。通过Wi-Fi模块接收来自移动OneNET云平台的数据命令，使电磁继电器控制电磁锁，达到开关门的功能要求。

4 展望

就此设计而言，有以下几个方面可以改进：刷卡如厕的方式难免局限，此功能点可升级为二维码识别开门，由二维码生成器产生二维码卡片，从而实现选坑如厕的功能；硬件端Wi-Fi亦可切换为时下新兴技术NB-IoT，这样一来可以免除掉无线路由接入上网的麻烦，在一些Wi-Fi不必要的移动厕所中，可以实施此方案；对于网页端应用，可以设计一个专有APP软件，移动端通过地图的形式将厕位展示出来，显示附近厕所及坑位使用情况，方便大众生活，建立新的快捷使用习惯。

从厕所可窥见人类文明进步的缩影，卫生洁净的用厕空间与环境将助于社会营造新风尚。伴随着时代的进步，人们的生活质量不断向好发展，在现代化不断纵深发展的当下，如何让生活更体贴，使人的生存环境更友善，这是需要思考的命题。从现实意义出发，公共厕所的智慧化程度提高将有利于物联网的发展，生活的质量将进一步提高。