基于超聲波傳感器的可壓縮式垃圾箱檢測(cè)系統(tǒng)分析

何王鳳 鄭智超

摘? ?要：隨著我國城市化的快速發(fā)展，創(chuàng)造和諧美好的城市環(huán)境越來越重要，公共場(chǎng)所垃圾箱容量有限，導(dǎo)致其周圍環(huán)境既不美觀，又容易滋生細(xì)菌的問題越來越顯現(xiàn)。文章提出的垃圾箱控制系統(tǒng)圍繞壓縮垃圾的關(guān)鍵技術(shù)問題重點(diǎn)展開工程化技術(shù)研究。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可以通過微信小程序智能檢測(cè)垃圾箱中的垃圾容量，進(jìn)行自動(dòng)壓縮，有效解決垃圾存放超時(shí)或放置過量垃圾并無人清理的情況，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：可壓縮式智能垃圾箱;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);超聲波測(cè)距

隨著我國環(huán)境治理體系的不斷完善和環(huán)境治理能力現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念逐漸扎根，國民追求更高的生活質(zhì)量，新型智慧城市也隨之孕育而生，城市發(fā)展被賦予了新的內(nèi)涵和新的要求[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局和OECD公布的我國垃圾增長曲線，全國垃圾年總量即將突破3億噸。垃圾成為破壞城市環(huán)境、降低人們生活質(zhì)量的禍?zhǔn)字弧３鞘欣鴨栴}也逐漸引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，垃圾的積累會(huì)造成細(xì)菌和病毒的滋生，對(duì)人們的正常生活有著不可忽視的威脅[2]。

隨著我國城市化快速發(fā)展，解決城市垃圾問題成了重中之重的任務(wù)，想要?jiǎng)?chuàng)造出和諧美好的城市環(huán)境，改革垃圾箱是關(guān)鍵的一步，傳統(tǒng)的垃圾箱存在著種種問題，導(dǎo)致資源負(fù)載過大和資源浪費(fèi)的情況。本文提出的垃圾箱控制系統(tǒng)，以順應(yīng)時(shí)代發(fā)展為主題，提高人們生活質(zhì)量為目的，通過手機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)垃圾箱定位、垃圾箱容量檢測(cè)、垃圾箱內(nèi)垃圾壓縮和垃圾箱已滿提醒等功能。

可壓縮式垃圾箱的發(fā)明和研究對(duì)創(chuàng)造和諧美好的城市環(huán)境、推動(dòng)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。與傳統(tǒng)垃圾箱比較，可壓縮式垃圾箱利用先進(jìn)的集成電路、傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)垃圾的智能壓縮，能夠快速、科學(xué)、及時(shí)地壓縮垃圾，與現(xiàn)代社會(huì)垃圾的產(chǎn)生效率較為匹配[3]。在人力成本急劇提升的今天，可壓縮式垃圾箱能夠更高效地收集垃圾，箱滿可發(fā)送提醒，使環(huán)衛(wèi)工人資源分配更加合理，實(shí)現(xiàn)資源的分配利用[4]。

1? ? 基本概念

本文中主要用到的技術(shù)為超聲波測(cè)距和壓縮系統(tǒng)裝置。

1.1? 超聲波測(cè)距

超聲波測(cè)距的工作原理是利用超聲波發(fā)射探頭不斷地發(fā)射出聲波信號(hào)，遇到障礙物后反射回反射波，接收探頭接收到反射波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦?hào)[5]。本文利用返回的聲波信號(hào)來判斷垃圾箱的容量是否達(dá)到所設(shè)置的一個(gè)臨界狀態(tài)。單片機(jī)發(fā)出超聲波通過不斷地檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S=C×T/2，式子中的C為超聲波在空氣介質(zhì)中的波速。

本次設(shè)計(jì)是由STC89C52控制定時(shí)器產(chǎn)生超聲波脈沖并啟動(dòng)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波信號(hào)。通過計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間差，從而得到實(shí)測(cè)距離，并用液晶顯示器顯示距離，從而達(dá)到測(cè)量距離的目的，當(dāng)距離小于接收信號(hào)時(shí)，電路工作發(fā)出可以壓縮的信號(hào)，傳遞給壓縮系統(tǒng)，完成本文目的。

1.2? 壓縮系統(tǒng)

壓縮系統(tǒng)裝置通過接收超聲波測(cè)距系統(tǒng)傳輸過來的信號(hào)，對(duì)垃圾箱內(nèi)的垃圾進(jìn)行壓縮處理，以提高垃圾箱的空間利用率。壓縮系統(tǒng)采用連桿機(jī)構(gòu)，通過對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力進(jìn)行分析，進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度變形分析達(dá)到本文所設(shè)計(jì)的目標(biāo)[6]。通過連接超聲波傳感器檢測(cè)垃圾桶內(nèi)垃圾高度，獲取反饋信號(hào)，進(jìn)而控制電動(dòng)伸縮桿來回運(yùn)動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓縮板對(duì)垃圾體積的壓縮。

本文壓縮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念是為了節(jié)省空間，壓縮面積大，采用可控制電動(dòng)伸縮桿來進(jìn)行壓縮垃圾的工作。對(duì)伸縮機(jī)的具體要求為：

（1）電機(jī)提供能量。

（2）最終運(yùn)動(dòng)形式呈現(xiàn)出垂直方向上的直線運(yùn)動(dòng)。

（3）轉(zhuǎn)換的直線運(yùn)動(dòng)要?jiǎng)蛩伲俣炔灰诉^大。

（4）總體結(jié)構(gòu)在停止壓縮時(shí)，占用空間要小[7]。

2? ? 可壓縮式垃圾箱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.1? 垃圾壓縮裝置結(jié)構(gòu)

垃圾壓縮裝置是可壓縮式垃圾箱的執(zhí)行裝置，接收超聲波傳感器傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行反饋，從而對(duì)垃圾箱內(nèi)物體進(jìn)行一定程度上的壓縮，主要的裝置結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)框架、感應(yīng)系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)[8]。

結(jié)構(gòu)框架中，本文采用了一根立柱作為超聲波傳感器與壓縮裝置傳感器的渠道，內(nèi)含線路進(jìn)行信息傳遞;在垃圾箱頂部，采用一塊幾乎等同垃圾箱口面積的壓料板作為壓縮垃圾的壓縮板來進(jìn)行壓縮垃圾，具體的壓縮長度視不同的垃圾箱型號(hào)所定。

裝置的接收系統(tǒng)采用機(jī)器語言，接收傳感器傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行編譯，然后反饋給壓縮系統(tǒng)，達(dá)到本文壓縮垃圾節(jié)省空間的目的。本文初步設(shè)計(jì)壓縮機(jī)能夠達(dá)到75 kN的巨大壓力，能夠應(yīng)付大部分可壓縮的垃圾并且不會(huì)對(duì)垃圾箱造成損壞，如圖1所示，在垃圾箱的底部添加感應(yīng)裝置，在達(dá)到垃圾箱的承重點(diǎn)時(shí)立刻停止壓縮，并呼叫環(huán)衛(wèi)工人對(duì)垃圾箱進(jìn)行清理檢查。

2.2? 超聲波測(cè)距傳感器結(jié)構(gòu)

可壓縮式垃圾箱融入了超聲波測(cè)距感應(yīng)裝置。超聲波測(cè)距裝置安放在垃圾箱的立桿處，保證垃圾箱在未達(dá)到75%容量時(shí)，超聲波傳回來的信號(hào)時(shí)間是一致的。

一旦時(shí)間發(fā)生變化，即可檢測(cè)出垃圾箱容量已經(jīng)超過75%，需要向壓縮系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，電機(jī)下拉壓縮板壓縮到垃圾箱容量的50%;當(dāng)垃圾箱達(dá)到90%容量時(shí)，再次啟動(dòng)電機(jī)，壓縮至75%。

由于超聲波測(cè)距模塊較為簡(jiǎn)單，因此在實(shí)施的過程中較為方便。如圖2所示，此外超聲波模塊采用C++語言程序進(jìn)行編寫，利用51單片機(jī)進(jìn)行程序的實(shí)施。

3? ? 微信小程序的設(shè)計(jì)

新型垃圾箱小程序的主要功能包括：識(shí)別垃圾箱型號(hào)、垃圾箱投放地點(diǎn)顯示、垃圾箱動(dòng)態(tài)容量檢測(cè)、壓縮垃圾的執(zhí)行請(qǐng)求、垃圾箱其他數(shù)據(jù)顯示。

用戶啟動(dòng)小程序后，即可進(jìn)入主頁面，該頁面有識(shí)別和容量?jī)蓚€(gè)界面選擇。

在識(shí)別的界面中，用戶可以輸入垃圾箱型號(hào)或自動(dòng)識(shí)別查詢?cè)O(shè)備信息。如圖3所示，點(diǎn)擊垃圾箱型號(hào)大全，可了解不同型號(hào)垃圾箱的詳細(xì)資料。

在容量界面中，有“垃圾滿了先壓縮”的提示語，下方可輸入垃圾箱的編號(hào)，如圖4所示。

（1）點(diǎn)擊定位，查看垃圾箱的投放地點(diǎn)。

（2）點(diǎn)擊箱體，顯示垃圾箱內(nèi)部的容量數(shù)據(jù)。

（3）點(diǎn)擊壓縮垃圾，便能執(zhí)行壓縮命令，增大垃圾箱的容量。

（4）點(diǎn)擊數(shù)據(jù)，便能檢測(cè)到超聲波傳感器、壓縮結(jié)構(gòu)、藍(lán)牙模塊、歷史清理垃圾箱次數(shù)等的數(shù)據(jù)信息。

4? ? 檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試

在社區(qū)投放可壓縮式垃圾箱，通過投放時(shí)間的增長、垃圾數(shù)量的增多，測(cè)定不同時(shí)間段的可壓縮式垃圾箱的容量，測(cè)得結(jié)果如表1所示。經(jīng)過測(cè)試結(jié)果可知，超聲波測(cè)距感應(yīng)裝置系統(tǒng)中獲取的垃圾箱容量測(cè)量數(shù)據(jù)與垃圾箱實(shí)際儲(chǔ)存量據(jù)的誤差在合理范圍內(nèi)，滿足實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的需求。

5? ? 結(jié)語

本文提出了一種基于超聲波傳感器的可壓縮式垃圾箱容量檢測(cè)系統(tǒng)，其目的是讓監(jiān)管人員能夠直接獲取到垃圾箱動(dòng)態(tài)容量數(shù)據(jù)，便于執(zhí)行壓縮垃圾的操作。智能垃圾箱采用可壓縮系統(tǒng)，超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是機(jī)、電一體的科技新產(chǎn)品，提高了垃圾箱的利用率，更加人性化的微信小程序讓人們更好地使用智能垃圾箱。在人力成本和智能化逐漸提高的今天，該系統(tǒng)合理分配環(huán)衛(wèi)工人清理垃圾，提高環(huán)衛(wèi)人員的利用率，實(shí)現(xiàn)人員以及公共資源的合理化配置，在一定程度上可壓縮式垃圾箱的設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)垃圾箱的不足，相信可壓縮式垃圾箱能提高城市垃圾處理的效率，進(jìn)一步提高城市服務(wù)水平，從而建設(shè)和諧美麗的城市。

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Analysis of the detection system of the compressible

garbage bin based on the ultrasonic sensor

He Wangfeng1， Zheng Zhichao2

（1.College of Electronic Information Engineering， Tianjin University of Science & Technology， Tianjin 300222， China; 2.College of Electronic Information Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

Abstract：With the rapid development of urbanization in our country， it is more and more important to create a harmonious and beautiful urban environment， and the capacity of garbage bin in public places is limited， which leads to the problem of its surrounding environment being neither beautiful， but also easy to breed bacteria more and more obvious. In this paper， the garbage bin control system focuses on the key technical problems of garbage compression. It is proved by experiments that the system can intelligently detect the garbage capacity in the garbage bin through WeChat mini program， carry out automatic compression， and effectively solve the situation of garbage storage overtime or placing excessive garbage without cleaning up， which has strong practicability.

Key words：compressible smart garbage bin; Internet of Things technology; ultrasonic ranging