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摘 要
随着医疗废物所产生的垃圾日益增多，医疗方面产出的有害垃圾也越来越多。当前，全世界都正在为如何处理医疗垃圾而为难。尽快处理医疗废物可以减少对环境的破坏，废弃的医疗垃圾可能会含有有毒物质，会对人类产生严重危害，也会导致动物死亡。为此，设计了一种基于STM32的医疗废物远程监管系统[1]。
本设计使用STM32单片机为核心模块而构成的医疗废物远程监管系统，系统中采用了气体传感器、红外人体感应器、舵机、蜂鸣器、LED灯和超声波测距模块等技术，实现对医疗废物桶内垃圾体积的实时监测。具体而言，当医疗废物桶中的垃圾体积发生变化时，超声波传感器将实时采集到的数据通过Zigbee无线传感网络传输给上位机。上位机接收到数据后，进行相应的处理与分析，并提供监管人员所需的各种信息，如垃圾桶的填充状态、缓急程度等。同时，系统还具备报警功能，当垃圾桶的填充程度达到一定阈值时，系统将发出警报提醒相关人员进行处理。该系统具有成本低、比较简易、距离短、功耗小、速率低等特点，适用于医疗废物管理场景。通过实验与测试，验证了系统的可行性和有效性。实验结果表明，该系统能够准确地监测医疗废物桶的填充状态，并及时将相关信息传输给上位机，方便监管人员进行管理与处理[6]。
关键词：医疗垃圾；STM32单片机；ZigBee模块
ABSTRACT
As the waste produced by medical waste is increasing, more and more medical hazardous waste is produced. Now, the world is struggling with how to deal with medical waste. Disposal of medical waste as soon as possible can reduce the damage to the environment. Waste medical waste may contain toxic substances, which will cause serious harm to human beings, and will also lead to animal death. To this end, a remote supervision system of medical waste based on STM 32 was designed.
This design uses STM32 MCU as the core module. The system adopts gas sensor, infrared body sensor, steering gear, buzzer, LED lamp and ultrasonic ranging module and other technologies to realize the real-time monitoring of the waste volume in the medical waste bucket. Specifically, when the volume of garbage in the medical waste bucket changes, the ultrasonic sensor transmits the data collected in real time to the upper computer through the Zigbee wireless sensor network. After receiving the data, the upper computer shall conduct corresponding processing and analysis, and provide various information required by the supervisor, such as the filling state of the trash can, the degree of urgency, etc. At the same time, the system also has the alarm function. When the filling degree of the trash can reaches a certain threshold, the system will issue an alarm to remind the relevant personnel to deal with it. The system has the characteristics of low cost, relatively simple, short distance, small power consumption and low rate, and is suitable for medical waste management scenarios. The feasibility and effectiveness of the system are verified through experiment and testing. The experimental results show that the system can accurately monitor the filling status of medical waste barrels, and timely transmit relevant information to the upper computer to facilitate the management and treatment of supervisors.
Key words: medical waste; STM32 MCU; ZigBee module
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 主要研究内容 2
第2章 系统总体结构 4
2.1 设计方案 4
2.2 功能需求分析 4
2.3 总体方案设计 5
第3章 系统的硬件部分设计 6
3.1 系统总体设计 6
3.2 系统的主要功能模块设计 7
3.2.1 单片机型号选择 7
3.2.2 ZigBee无线模块模组设计 8
3.2.3 MQ135空气质量传感器模块设计 9
3.2.4 HC-SR312微型人体感应模块设计 9
3.2.5 蜂鸣器传感器模块设计 10
3.2.6 超声波模块设计 11
第4章 系统的软件设计 12
4.1 软件主流程图 12
4.2 蜂鸣器模块的软件设计 12
4.3 通信模块的软件设计 14
4.4 MQ135空气质量检测的软件设计 15
4.5 超声波测距传感器的软件设计 16
第5章 系统测试 18
5.1 系统实物图 18
5.2 超声波测距功能模块测试 18
5.3 人体感应器功能模块测试 19
5.4 MQ135空气传感器功能模块测试 20
5.5 蜂鸣器功能模块测试 21
5.6 通信功能模块测试 22
5.7 上位机系统模块测试 22
第6章 总结与展望 24
6.1 总结 24
6.2 展望 24
参考文献 25
致 谢 26
附 录 27
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
随着医疗废物所产生的有害垃圾日益增多，医疗方面产出的有害垃圾也越来越多。当前，全世界都正在为如何处理医疗垃圾而为难。尽快处理医疗废物可以减少对环境的破坏，废弃的医疗垃圾可能会含有有毒物质，会对人类产生严重危害，也会导致动物死亡[3]。
现有的医疗垃圾桶不能很好地检测垃圾桶中含有的垃圾，当垃圾塞满时，不能及时做出响应，影响后续垃圾的投入，同时影响周围的环境[4]。该设计可以有效地储存垃圾，且带有满测功能，在医疗垃圾达到溢满的标准，及时向管理人员发送消息，减少垃圾与空气的接触，从而降低感染率，同时为管理人员提高工作效率，提高医院整体的垃圾回收处理效率[5]。
为此，设计了一种基于Zigbee的医疗废物远程监管系统。
1.2 国内外研究现状
2021年陆蕊坚,尹建鹏,张磊,竺炯四位学者在《脚踏式自动消毒医疗废物垃圾桶的设计》一文中提到脚踏式自动消毒医疗废物垃圾桶在对医疗废物表面进行消杀的同时可以有效保护医护人员不被桶内病毒感染,确保医护人员的安全[7]。
2018年陈龙，凌利，钟学洋等三人在《基于WiFi的新型智能垃圾桶设计》一文中写到随着我国科技的进步以及国内医疗水平的提高,医疗垃圾也越来越不容忽视，同时伴随技术和信息的发展，越来越多的家居开始引进智能化系统和设备，现阶段，智能垃圾桶主要集中于处理家用垃圾与厨余垃圾，可适用于医疗废物处理的智能垃圾桶少之又少[8]。
2019年李征，徐逸凡二人在《基于STM32智能垃圾桶的设计》书中提到医疗垃圾的污染和传播也会对人们的健康造成了极大的危害。对于医疗垃圾的不正确处理会使其中所含有的大量病原微生物和有害化学物质,以及部分医疗垃圾内含有的放射性和损伤性物质对公共卫生问题造成很大的危害。在垃圾的回收过程中,会对人体皮肤产生不良影响，但是我国再回首医疗垃圾方面工作做得并不到位[9]。
2018年Qingdao Bright，Medical Manufacturin，Co. Ltd等人在《Environmentally-Friendly Medical Waste Treatment Apparatus And Method Specific To Medical Institutions in Patent Application Approval Proces》一文章中提到，目前已有相关城市在处理医疗废弃物的过程中，将高科技应用到回收处理系统中。例如，利用高温高压粉碎销毁成套技术，是通过铝制车将医院垃圾送入专用压力容器内，通过电脑控制，对垃圾进行真空、高温、高压蒸气等灭菌处理。除了利用高新技术处理医疗废弃物的系统外，利用监测系统提高回收处理的效率回收过程中的实时监测能力，也是目前待解决的问题[20]。
2022年陆燕,周梦煜在《新型便携式医疗垃圾桶的设计》中提到了换药在医院中常见,而在换药过程中会产生大量医疗垃圾。为了减少医生频繁进出病房和医疗废物与空气接触的时间,设计了一种可直接悬挂于换药车上的便携式医疗垃圾桶[10]。
2020年杨帆，秦智鹏两位学者在《基于STM32的语音分类垃圾桶设计》提出了一种语音分类垃圾桶。系统通过识别接收的语音信息,驱动电机打开和关闭桶盖,通过压力检测模块检测垃圾桶是否溢满。为日常生活垃圾分类智能化与便捷化提供了有效的方法[11]。
2023年Oğuz Abdulhalık;Ertuğrul Ömer Faruk几人在《Determining the fullness of garbage containers by deep learning》提到了由于垃圾收集过程一般是与时间相关的,垃圾桶有溢满与未满两种状态，为此,通过在CDCM数据集上应用DenseNet - 169、EfficientNet - B3、MobileNetV3 - Large和VGG19 - Bn深度学习算法对自动分类过程进行了实验,这些数据集包含标记为已满和未满的垃圾桶图像[14]。
2019年Christopher M. Padal Jr;Mary Jean May L. Salado;Noel P. Sobejana几位学者在《SPAMAST Smart Garbage Bin Monitoring System Using Wireless Sensor Network》一文中针对垃圾精准分拣投放难以普及的问题,设计制造了一种比传统垃圾桶更加智能、高效、功能完善的智能垃圾桶[15]。
2023年Padma Bhukya;Erukala Suresh Babu二人在《End-to-end communication protocol in IoT-enabled ZigBee network: Investigation and performance analysis》一文提出了一种高效的端到端通信协议，可用于支持物联网的ZigBee设备和一个使用6LoWPAN协议的互联网主机的端到端通信协议。这种6LoWPAN将基于ip的基础设施与一组Zigbee设备连接起来，这些设备提供端到端通信，以将IPv6数据包路由到启用了Zigbee的物联网网络中[16]。
2023年Zohourian Alireza;Dadkhah Sajjad;Neto Euclides Carlos Pinto;Mahdikhani Hassan;Danso Priscilla Kyei;Molyneaux Heather;Ghorbani Ali A.几位学者在《IoT Zigbee device security: A comprehensive review》一文中提到了Zigbee的安全性,重点关注其整个演化过程中的漏洞、攻击和想法。还分析了最近关于Zigbee安全的调查,并基于不同的标准进行了比较[17]。
2021年Rehman Amjad;Haseeb Khalid;Fati Suliman Mohamed;Lloret Jaime;Peñalver Lourdes几人在《Rehman Amjad;Haseeb Khalid;Fati Suliman Mohamed;Lloret Jaime;Peñalver Lourdes》一文中提出了一种使用ZigBee网络的智能医疗系统(RNM-SC)的安全医疗物联网的可靠网络监管方法。它旨在通过负载均衡的设备来改善具有可管理拥塞的数据系统[18]。
1.3 主要研究内容
Zigbee是一种新兴的成本低、比较简易、距离短、功耗小、速率低的无线通信技术[12]。
它通过无线传感器之间的相互协调以实现双向通信。
Zigbee包含了全功能设备(FFD)和简单功能设备(RFD)两种不同类型的设备。
FFD设备在网络中可以充当协调器，也可以充当路由器，也可以充当终端；RFD装置只能充当终端的角色，无法大规模进行数据传输[19]。
利用Zigbee无线传感网络技术，在电路设计上采用气体传感器、红外人体感应器、舵机、蜂鸣器、LED灯、超声波测距模块等技术制作一医疗废物远程监管系统。
医疗垃圾桶中的体积一定程度可以反应需要处理的缓急程度，系统通过超声波传感器采集垃圾桶中垃圾的体积，然后把收集的信息通过Zigbee网络传送给上位机，由上位机进行处理。方便随时观察医疗废物垃圾桶的各种情况[13]。
第2章 系统总体结构
2.1 设计方案
首先利用Zigbee无线传感网络技术，在电路设计上采用气体传感器、超声波测距模块蜂鸣器、舵机、红外人体感应器、LED灯等技术制作一医疗废物远程监管系统。Zigbee把收集的信息上传送给上位机处理。
为了方便随时测量医疗垃圾桶内垃圾的体积和气味，及时通知回收人员进行处理，减少医疗废物溢出的情况和气味过于严重的情况制作了医疗废物远程监管系统设计[2]。
实现的功能如下：
使用Zigbee进行信息交换，上位机在电脑端
上位机：
1.接收下位机数据，并显示；
2.接收到下位机发来的溢满警告，弹窗提示；
3.设定溢满阈值；
4.设定异味阈值；
下位机：
1.实时检测垃圾桶溢满状态，发送上位机；
2.实时监测有无人员靠近，发送上位机；
3.实时监测垃圾桶异味状况，发送上位机；
4.垃圾桶未满时，开启工作指示灯，反之，熄灭；
5.垃圾桶未满时，有人员靠近，自动开启舵机，人员离开，舵机关闭；
6.垃圾桶已满时，人员靠近，蜂鸣器提示已满，不再开启；
7.垃圾桶已满，向上位机发送溢满警告，请管理员过来回收；
8.垃圾桶异味超标，向上位机发送溢满警告，请管理员过来回收；
2.2 功能需求分析
（1）该设计需要利用Zigbee无线传感网络技术，在电路设计上采用气体传感器、红外人体感应器、舵机、蜂鸣器、LED灯、超声波测距模块等技术制作一医疗废物远程监管系统。
（2）软件平台程序用keil 5；
（3）画原理图用AD；
（4）编程语言用C语言；
（5）发送溢满警告用电脑端查看；
（6）设计结构框图；
2.3 总体方案设计
第一：理论知识准备阶段，理解设计课题，认真研究课题所涉及到的内容，能够较好的掌握有关题目的知识；
第二：找到需要用的模块，并且对这些模块进行初步的了解；
第三：制作出整个流程所需要的流程图；
第四：利用软件完成硬件电路部分设计并画出各部分电路图，将系统部件通过接口电路集合在一起，并画出电路图；
第五：软件设计部分是通过系统的控制过程进行的，此外完成的工作还需要画出主流程图；
第六：初步进行仿真测试，检查实物功能，整理论文。
第3章 系统的硬件部分设计
3.1系统总体设计
为了防止病毒通过医疗废物传播和响应智能制造的发展，设计了一款基于STM32单片机的医疗废物远程监管系统设计。该设计使用Zigbee模块实现上位机与下位机的信息交互。而Zigbee是近些年的新型技术，它的采购成本较小、工作时的功率也低、制作工序简单。下位机由STM32单片机作为核心，由红外人体
