一種基于人體紅外檢測、太陽能供電的智能垃圾分類系統(tǒng)的設計

李夢婉+方賡

摘 要：隨著科學技術的發(fā)展，人們生活質(zhì)量得到飛躍的同時，也產(chǎn)生大量生活、工作垃圾卻常常被人們所忽視，人們尚未形成垃圾分類的意識。本系統(tǒng)設計的目的是研制一款利用物聯(lián)網(wǎng)技術監(jiān)控的智能自動分類垃圾分類系統(tǒng)，包括物聯(lián)網(wǎng)技術的應用和智能自動垃圾分類。一方面該系統(tǒng)可以提醒扔垃圾的人在投放垃圾前進行分類，也同時可通過多種傳感器自動識別并將垃圾分類，使人們養(yǎng)成垃圾分類的好習慣，管理人員可以通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)對垃圾分類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；另一方面，系統(tǒng)中的垃圾桶本身也是物聯(lián)網(wǎng)的感知系統(tǒng)，可動態(tài)監(jiān)控垃圾桶的狀態(tài)，并發(fā)送信號，極大地方便環(huán)衛(wèi)部門對垃圾桶等公共設施智能化管理。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；垃圾分類；傳感器技術

項目來源：2017年江蘇省教育廳大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 “一種基于人體紅外檢測、太陽能供電的智能垃圾分類系統(tǒng)”（ 項目編號：201712920014Y）

物聯(lián)網(wǎng)技術的應用已經(jīng)非常的廣泛， 無論是在工業(yè)生產(chǎn)上還是家庭中，都可以看到物聯(lián)網(wǎng)應用。在人們在日常生活中會產(chǎn)生大量的垃圾， 垃圾處理不當就會嚴重污染當?shù)氐沫h(huán)境。智能垃圾分類是最簡單、最可行、也是最高效的資源回收方法。

1 系統(tǒng)的組成和主要功能

系統(tǒng)的設計包括智能自動分類垃圾垃圾桶、后臺系統(tǒng)、移動終端實時監(jiān)控系統(tǒng)三大部分。每個部分有獨特的設計和功能， 安裝在垃圾桶上的多種傳感器是智能垃圾桶獨有的特色， 可以實時監(jiān)控垃圾桶的各種狀態(tài)，如垃圾桶內(nèi)垃圾高度等信息， 將這些狀態(tài)信息可以及時準確的提醒相關的工作人員， 有助于減少勞動成本。

智能垃圾桶的人工智能主要體現(xiàn)在能結(jié)合一個小型單片機系統(tǒng)， 利用多種安裝在垃圾桶上的傳感器對人們的垃圾分類意識、分類子桶中的垃圾高度等數(shù)據(jù)的采集和傳輸；智能垃圾桶可以對有扔垃圾意識的人進行善意提醒， 幫助人們養(yǎng)成良好分類垃圾的習慣。

智能垃圾桶的主要內(nèi)容：

主要包含三部分內(nèi)容：人體紅外檢測、時間設定及定時、播放語言提示、太陽能供電。

人體紅外檢測：主要通過紅外探測傳感器將人體發(fā)出的紅外和外界物體的紅外區(qū)分開，從而達到檢測到移動人體紅外信號。

時間定時：主要通過秒計數(shù)器實時計數(shù)，產(chǎn)生秒時鐘，并通過MCU微控制器設置定時器，在定時時間觸發(fā)相應功能，該智能垃圾桶通過設置時間可完成在設定時間范圍內(nèi)語音播放功能正常工作。避免夜間影響人們正常休息。

播放語音：可通過MicroSD卡更新播放內(nèi)容到智能分類垃圾桶的控制器內(nèi)。并設置播放模式。音量可根據(jù)安裝地區(qū)現(xiàn)場環(huán)境設置大小。

太陽能供電：采用太陽能方式為整個系統(tǒng)提供電源。通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能存儲在鋰電池中，為整個系統(tǒng)提供電源，節(jié)能環(huán)保。

后臺系統(tǒng)其功能包括處理和分析垃圾桶上各種傳感器傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)， 服務器自動分類在數(shù)據(jù)庫里存貯各類監(jiān)測數(shù)據(jù)。

移動端實時監(jiān)控可以實時監(jiān)控智能垃圾桶狀態(tài)的。終端自帶提醒功能，能夠提醒使用者及時、準確的處理相關環(huán)衛(wèi)工作， 同時便于合理的安排工人， 節(jié)省勞動力。

2 系統(tǒng)的關鍵技術及難點

2.1 紅外探測準確度

當有人走近垃圾桶扔垃圾時，要及時播放語音提示提醒扔垃圾者垃圾要分類存放。當扔垃圾的人扔完垃圾離開垃圾桶時要和走近扔垃圾的行為區(qū)分開。解決方案主要通過完善紅外探測電路設計及設計相應算法以達到準確的區(qū)分和控制。

2.2 播放語音設計

由于垃圾桶是一種耗材產(chǎn)品，使用年限有限，這就要求以較低的成本完成設計。語音播放通過MCU編解碼將語音信號解碼成數(shù)字信號播放。避免采用高成本的專用語音編解碼芯片。將語音編解碼功能集成到MCU的功能中。在滿足清晰播放語音功能的要求上降低成本。

2.3 太陽能充電系統(tǒng)設計

太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，要通過充電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能存儲到鋰電池中。該設計要求能適應各種自然環(huán)境，及保證在日照時間較少的地方能保證有足夠的電能提供。

3 系統(tǒng)設計

3.1 智能自動分類垃圾桶

智能自動分類垃圾桶包括語音模塊、智能識別模塊、垃圾桶、監(jiān)測狀態(tài)模塊、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)模塊、太陽能電源管理模塊等。這些模塊通過合理的設計， 組成整個系統(tǒng)。

語音模塊是提醒人們在扔垃圾前將垃圾分類，起到幫助人們養(yǎng)成垃圾分類的好習慣是本設計的最基本目的。系統(tǒng)可以通過紅外傳感器檢測人還是其它生物在垃圾桶前，并通過程序加以辨識。如果是人，則通過音箱發(fā)出事前錄制好的提示音。

圖3.1是智能垃圾桶核心硬件原理圖，從圖中可以看到CPU采用 STM32F103RCT6， STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路（IC），芯體尺寸是32位，速度是72MHz，程序存儲器容量是256KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是48K，外圍設備可以：DMA，電機控制PWM，PDR，POR，PVD，PWM，溫度傳感器，WDT，晶振。

本系統(tǒng)包括電源、時鐘、IO接口、SD音頻控制電路等。

系統(tǒng)采用人體紅外感應傳感器，可以自主判斷是否是人還是其他動物在智能垃圾桶前。如果是人通過人工智能程序判斷是路過還是真的需要處理垃圾，這里增加了一些人工智能控制有效的解決了，行人路過或車輛路過造成的誤報和小動物覓食引起的誤報。不至于在居民小區(qū)里造成新的噪聲污染。

當有人靠近垃圾桶時系統(tǒng)自動判斷是否有扔垃圾的動作，如果有則播放語音提示垃圾分類存放，并可以自動打開或關閉垃圾桶蓋子。可用SD卡預存的語音播放內(nèi)容，聲音大小、播放時段可通過配置設置。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的設計

如圖圖3.2是整個智能垃圾分類系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出這個系統(tǒng)包括智能垃圾桶、GPRS網(wǎng)關、后臺管理云服務器平臺、移動終端等部分構(gòu)成。

3.2.1無線傳輸

可以將布置在不同場合的智能垃圾桶通過無線網(wǎng)絡連接起來， 自帶無線網(wǎng)絡通訊模塊。垃圾桶里安裝的傳感器將采集的數(shù)據(jù)， 通過控制系統(tǒng)里的微型處理器將數(shù)據(jù)處理和打包后， 將垃圾桶的狀態(tài)信息發(fā)送到指定的服務器， 其過程如圖所示。有傳感器和微型處理器構(gòu)成本垃圾桶的信號監(jiān)測系統(tǒng)， 通過太陽能供電，GPRS聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器。

在封閉的小區(qū)內(nèi)每個垃圾桶內(nèi)裝有ZIGEBEE模塊，可將當前垃圾桶的狀態(tài)例如裝滿、倒地等狀態(tài)通過無線上傳到網(wǎng)關，再通過網(wǎng)關將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理控制中心，這樣可以將分散的垃圾桶統(tǒng)一管理起來 ，可以提高環(huán)保部門對城市內(nèi)垃圾桶的有效管理。

3.2.2后臺管理云服務器平臺

服務器的主要功能是處理智能垃圾桶傳輸過來的數(shù)據(jù)，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行計算處理和監(jiān)控，同時將處理結(jié)果返回給移動終端。當監(jiān)控的數(shù)據(jù)異常時， 會通知工作人員。

4 小結(jié)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術， 將智能自動分類垃圾桶結(jié)合， 實現(xiàn)一種即時的監(jiān)控， 遠程的服務器。可以方便快捷地對垃圾桶狀態(tài)數(shù)據(jù)處理， 如有異常可以快速的通知相關的工作人員進行處理。在服務器搭建數(shù)據(jù)庫， 對后續(xù)的研究也有極大的意義， 在設備的升級、垃圾桶的布局提供重要的科學管理依據(jù)。

作者簡介

方賡（1975-），男，高級工程師、講師，南京科技職業(yè)學院信息工程學院講師，從事軟件技術教育工作。endprint