智慧城市之智能垃圾桶的設計與應用

李智彤 張琪 蔡俊婷 李莉（指導老師）

北京師范大學珠海分校

一、引言

近年來，智慧城市建設已經成為各國發展的重要方向，即通過先進的科學技術，以智慧的管理手段將城市的資源整合，從而大幅提高人們的生活質量。據統計，全球垃圾年均增長速度為8.42%，預計到2025年全球垃圾年產量將達22億噸，隨之而來的環境污染、細菌傳播等問題也日趨嚴重，因此，提升城市環衛管理工作的智能化水平刻不容緩。

縱觀全球，有這樣一種由先進的微芯片、傳感探測裝置、機械傳動部分組成的集機光電于一體的高科技產品正在進入人們的視線，即智能垃圾桶。在美國Bigbelly公司、倫敦市政等前人開發智能垃圾桶的啟發下，本項目研發出一種具有太陽能充電、自動感應、垃圾壓縮等功能的智能垃圾桶，能夠較高地提升垃圾回收效率并整合城市資源，提升城市智能化水平。

二、城市智能垃圾桶功能簡介

（一）自動感應功能

目前，市面上的城市智能垃圾桶大多帶有紅外線自動感應投放口。而我們則采用光電感應來實現此功能，該投放口由電路芯片控制，由光電感應器和機械電子驅動系統組成。當人們的手或物體距離垃圾桶口15cm左右時，垃圾桶會自動開蓋，且垃圾桶蓋子會在垃圾投放完畢后自動關閉。這種設計使人們扔垃圾更加便利，人們無需與垃圾桶直接接觸，減少了細菌傳染的概率，大大減輕了人們扔垃圾時的厭惡情緒，使人們更加積極主動地往垃圾桶里投放垃圾。

（二）垃圾分類功能

智能垃圾桶在垃圾分類上與傳統垃圾桶不同。應用在城市街道的傳統垃圾桶在類別劃分上相對比較粗略，一般在可回收垃圾、不可回收垃圾和其他垃圾類別中選擇其中的兩到三個。而城市智能垃圾桶在類別劃分上則更為細致，除設有可回收垃圾和不可回收垃圾兩個類別外，還設置了有害垃圾這一類別，其中又細分出電子垃圾、化妝品、電池和過期藥品這四個人們常丟棄的且需要專業處理的子類別。該垃圾桶的垃圾投放口設置如圖1所示。

圖1 垃圾投放口設置圖

這樣的類別劃分能夠大大降低城市垃圾被錯誤處理的可能性，從而減少因城市垃圾處理錯誤而導致環境污染的事件發生，以及防止此類垃圾因處理錯誤被不法分子回收后再度流入市場，擾亂市場秩序，危害人們健康。

（三）垃圾壓縮功能

城市智能垃圾桶針對當前傳統垃圾桶存在的桶內容量有限、垃圾容易滿溢的問題，設置了垃圾壓縮的功能。應用了垃圾壓縮功能的智能垃圾桶可將垃圾壓縮至1/5 體積，其容量可達普通垃圾桶的5-10倍。這不僅無形拓寬了智能垃圾桶的垃圾承受容量，從而大大減少垃圾滿溢現象的發生概率，有效降低垃圾轉運頻率和垃圾運輸費用，而且還能消除清運中的二次污染，對于環衛部門的工作和環境的改善都大有幫助。同時，垃圾桶的壓縮功能有效分擔了固廢轉運站的垃圾處理與垃圾壓縮作用，可以有效減少城市內固廢轉運站數量，節約城市空間，保護環境。

三、工作原理

（一）垃圾桶自動開關門

光電開關測距后由舵機開門。垃圾桶設計在左右兩側門前各有一個TB12J-D15N1激光漫反射光電開關。當人靠近垃圾桶前15cm區域時，光電開關閉合，STC IAP15F2K60S2主控器在收到來自光電開關的高電平后通過PB0端口對控制垃圾桶蓋板的JX6221大扭力標準數字舵機發出方波并使其旋轉開門。當光電開關斷開后延時10s開關仍未再次閉合，將判定為人已經離開，主控對舵機發出方波使舵機旋轉關門。

（二）垃圾壓縮

當垃圾桶蓋板關閉時，垃圾桶內頂部的光電開關將檢測垃圾是否已滿。當桶內垃圾高度達到光電開關探測范圍內時，光電開關閉合，判定為垃圾已滿。此時主控向液壓站02-3C2-220電磁閥和液壓站供電繼電器發出高電平使液壓站啟動，電磁閥換向，MOB80＊500液壓缸伸長壓縮垃圾桶內固體廢物。延時等待液壓缸達到最大行程后，向電磁閥發出低電平使液壓缸收回。延時等待液壓缸完全收回后，主控向繼電器發出低電平使液壓站斷電。

（三）垃圾溢出

當一次壓縮過程完成后，如果仍檢測到垃圾桶內垃圾已經滿，垃圾桶將重復壓縮過程。如果兩次壓縮后仍然檢測到已滿狀態，垃圾桶將判定垃圾壓縮已達到最大密度，主控將在警告線路上發出高電平，同時將“垃圾已滿”指示燈點亮并停止響應靠近垃圾桶，不再打開垃圾桶蓋板。

（四）供電設計

開關電源是一種利用開關管的開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源是由PWM控制芯片和MOSFET管構成。使得開關電源技術也在不斷地創新。開關電源體積小重量輕，輸出電壓穩定無紋波，不易對精密電子元器件造成損傷，性價比高。我們采用12V輸出的直流開關電源，同時使用DC-DC模塊為主控板提供5V直流電，可以有效消除交流紋波并防止電子電路受到外界干擾。

圖2 主板信號處理流程圖

圖3 流程圖

（五）信號處理

本機采用STC公司成本低廉，高性價比的STCIAP15F2K60S2單片機作為主控制器，處理所有的信號并控制所有執行器。STC15F2K60S2系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快7-12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S),針對電機控制，即使在強干擾場合運行也十分穩定。

（六）電氣安全

本機整體為金屬外殼，供電使用220V工頻交流電，屬于I類電器設備。本機外殼設計了保護接地，同時在總電源上安裝了漏電保護器。在耐壓上，本機控制板設計了電磁屏蔽法拉第籠，整機信號電與動力電隔離，擁有良好的電磁兼容性能。電路部分采用合格電源產品，可以達到3000V以上耐壓，擁有良好的防雷性能，可以適應各種工況。

四、系統設計與測試

智能垃圾桶在系統設計上采用了C語言編程與Keil uVision5技術，通過將編寫好的程序錄入到單片機，完成對智能垃圾桶的系統控制設計。在這之后就要進行系統控制測試，主要的測試內容包括紅外自動感應測試以及垃圾壓縮測試。

首先是自動感應測試，我們對智能垃圾桶通電5分鐘，確定其工作狀態的情況下保證人手在距離垃圾桶一穩定距離內不觸碰到垃圾桶蓋其就可以自動打開，并在規定時間內關閉。在設定一定數量的測試次數后開始測試，將測試結果記錄整理并不斷調試后，最終將觸發自動感應的條件，即人手與垃圾桶的范圍穩定在15cm以內且桶蓋在10秒之內關閉。

其次是垃圾壓縮測試，我們在對垃圾桶通電后，人為丟棄一定數量不同種類的垃圾，觀察其在垃圾滿溢狀態下是否能夠將垃圾壓縮至整體的五分之一大小，兩次垃圾壓縮之間的時間間隔以及油缸的耐用程度等。在進行大于十五次的實驗之后，我們將數據進行歸納整理，并及時解決問題，保證油缸能夠在多次工作后運行良好。

五、總結

公共垃圾桶作為城市中重要的基礎設施，不僅為保持環境衛生所需，而且還彰顯出一個城市的風貌特色。隨著“智慧城市”概念在我國興起和普及，公共垃圾桶也不斷朝智慧化方向發展。本項目通過利用C語言編程和Keil uVision4等技術以及各類傳感器等器件，研發出一款具有太陽能充電、自動感應、垃圾壓縮等功能的智能垃圾桶。與傳統垃圾桶相比，該智能垃圾桶自動化程度高且安全環保，能夠較高地提升垃圾回收效率并整合城市資源，對于城市的智慧化建設和城市環境的治理均具有積極意義。