基于Arduino控制器的校園智能垃圾桶設計

張 園 江民歡 闞輝昂 冒書梅 王學剛

（南京信息職業技術學院電子信息學院，江蘇 南京 210046）

關鍵字：Arduino；智能垃圾桶；傳感器；多功能

隨著生活水平的提高，人們越來越重視周邊的環境衛生，追求健康的生活環境。現今，對于垃圾的投放處理問題也越來越關注[1]，伴隨著科技的進步，越來越多的智能化設備進入尋常百姓的點滴生活之中，讓人們的生活越來越科技化。為給在校園內生活的同學們創造更好的學習生活環境，打造綠色環保智能校園，文章設計實現了智能校園分類多功能垃圾桶。雖然市場上在一些智能家居中已經有智能垃圾桶的存在，但是大多數針對室內環境，功能單一。戶外的垃圾桶仍然以普通的垃圾桶為主，少數的戶外智能垃圾桶不能實現垃圾分類，垃圾混裝、垃圾不及時清理的現象比比皆是。為了彌補市場上垃圾桶應用上的缺陷，文章利用Arduino控制器件，增加垃圾桶自動垃圾分類、垃圾清理信息及時通知、短距離自動跟隨等功能，以更好地提升戶外環境，例如校園環境中垃圾桶使用的便利，針對戶外環境開發智能垃圾桶有著廣泛的市場前景和實際意義。

1 系統總體設計

校園智能垃圾桶的總體設計框圖如圖1所示。主要包含10個模塊：Arduino控制板、超聲波距離檢測電路、電容式接近傳感器、步進電機、紅外傳感器電路、LED點陣屏、語音電路、供電電路、GPS模塊和GPRS模塊。

可以實現垃圾分類，通過電容式接近傳感器檢測不同材料，控制步進電機，將不同材料的垃圾投入不同的桶中。當檢測有人接近，自動打開垃圾桶蓋子。并且能夠跟隨前方人員，實現自動跟隨。并且可以檢測垃圾是否裝滿，并通過網絡發送垃圾需清理的指令，并提供垃圾桶的位置信息。還可以利用太陽能供電實現輔助的廣告播放、夜晚亮燈、語言鼓勵等功能。

圖1 校園智能垃圾桶的總體設計框圖

2 系統功能電路設計

2.1 Arduino 控制器模塊

本系統以Microduino控制器模塊為核心，以 Atmel ATmega328P，ATmega168PA 系列為核心的8位單片機開發核心板，它完全是開源的，使用了U型的27pin Microduino接口規范，擁有眾多接口兼容的周邊模塊和傳感器，編程環境好，方便上手，而且能憑借各種不同的傳感器來實現對環境的監測，也可以通過控制聲音、電機和其他各種裝置來影響環境，其可拓展性好[2]。Arduino控制模塊是整個設計系統的中樞，主要實現對各類模塊的控制和調用。包括分析、綜合電容式接近傳感器檢測不同材料的數據信息，控制步進電機，將不同材料的垃圾投入不同的桶中。以及檢測熱釋電傳感器數據，查看是否有人接近，自動打開垃圾桶蓋子。并且控制實現自動跟隨和檢測垃圾是否裝滿，并通過網絡發送垃圾需清理的指令，并提供垃圾桶的位置信息。此外還控制廣告播放、夜晚亮燈、語言鼓勵等輔助功能。

2.2 垃圾分類模塊

考慮到使用環境主要在校園內，針對校園垃圾的不同材質，例如金屬、玻璃、塑料，介電常數不同的原理，本系統采用電容式接近傳感器和步進電機進行垃圾的分類，電容式接近這種開關的測量通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板是開關的外殼[3]。這個外殼在測量過程中通常是接地或與設備的機殼相連接。當有物體移向接近開關時，不論它是否為導體，由于它的接近，總要使電容的介電常數發生變化，從而使電容量發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化，由此便可控制開關的接通或斷開。因此當傳感器檢測到金屬時，電容改變，向Arduino控制模塊輸入低電平以控制電機的不同方向轉動，從而進行垃圾的不同位置投入，進行垃圾分類。

2.3 人體感應模塊

本設計采用HS-SR501熱釋電傳感器進行人體感應，這是一種基于紅外線技術的自動控制產品，靈敏度高，可靠性強，超小體積，超低電壓工作模式[4]。其感應距離在3～7米之間。當人進入其感應范圍，輸出高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平。在校園智能垃圾桶系統設計中考慮到，如果有人體在熱釋電傳感器感應范圍活動，其輸出將一直保持高電平，可以避免出現行人路過，垃圾桶也自行開啟的現象。所以在設計時將熱釋電傳感器模塊安裝在垃圾桶上方，以實現扔垃圾的人靠近時，進入為以垃圾桶為圓心的感應范圍后，垃圾桶才自動開蓋。

2.4 垃圾滿溢控制模塊

考慮到在現實生活中，經常會發生由于垃圾沒有及時回收，造成垃圾桶中垃圾滿溢，影響環境衛生，也會給扔垃圾的行人造成不便，不利于校園文明建設。因為本設計在垃圾桶內頂部裝有超聲波測距模塊，以檢測垃圾容量，當超聲波模塊采集的測量值小于預設閾值，說明垃圾量達到桶容積的80%，則將通過電機控制垃圾蓋不可打開，防止后續不斷扔入垃圾造成滿溢。通過GPRS模塊，利用網絡數據傳輸，提醒校園后勤相關人員及時清理垃圾。避免垃圾不能及時清理， 滋生蚊蟲。 同時利用GPS模塊發送垃圾桶的實時位置，便于清理人員及時定位需要清理的垃圾桶，大大提高了垃圾的回收效率。

2.5 輔助顯示模塊

由于校園環境的局限，并沒有太多的路燈照明系統，考慮到垃圾桶分布范圍較廣，因此本設計在垃圾桶上布置LED照明系統。夜晚時LED點亮，提示垃圾桶的位置，來彌補校園部分區域夜間照明不足帶來的投遞垃圾的不便，避免夜晚在校園活動的學生找不到垃圾桶而隨手亂扔垃圾。在設計時，通過光敏電阻探測環境光線，只要環境光線低于閾值就開啟LED燈。所有照明供電可以通過太陽能電池進行儲能，以節約用電，綠色環保。此外本設計在垃圾桶外安裝LED點陣屏，白天利用太陽能電池供電播放一些公益廣告，增加公益宣傳效果。在垃圾桶外還安裝有紅色LED指示燈，用來提示垃圾桶是否裝滿，如果垃圾桶裝滿，則紅燈點亮，提示使用者。

2.6 語音播放功能

該智能垃圾桶設計時增加了語言播放功能，當每次有行人投放垃圾時，桶內語音模塊會隨機播放一段優美的音樂或是一段祝福的話回饋給用戶，給人以驚喜，讓人們更樂于投放垃圾入桶，從而減少亂扔垃圾的現象。

2.7 自動跟隨模塊

考慮到在校園中，有學生可能會出現邊走邊吃趕時間的情況，本設計采用紅外避障傳感器，實現自動跟隨功能。避免同學在校園中一邊走一邊吃瓜子等食物，沿途沒有垃圾桶而隨手亂扔。在垃圾桶底部安裝輪子，通過電機控制轉向，并且在垃圾桶上配置按鍵，按下即可啟動自動跟隨功能。

3 結語

本項目結合開源的Arduino控制器件和大量的傳感器設計了校園智能垃圾桶，與普通垃圾桶相比，功能更完善，使用更方便。市場上的垃圾桶大多數局限于收集，沒有考慮用戶其他方面的需求。而該設備不僅實現垃圾的分類，還附帶有語音鼓勵、短距離自動跟隨、垃圾裝滿自動提醒收集、桶外廣告等功能，較好地滿足了用戶的需求，為用戶使用帶來便利，且使用傳感器模塊，成本較低。既與垃圾收集工作人員建立了高效合作關系，又與用戶建立了良好的互動和情感關聯，在很大程度上滿足了目標市場的需求。