基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾桶監(jiān)管系統(tǒng)

凌加平 潘紹明 田徑北 韋明崢 周俊男 譚

(1、廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州545000 2、廣西科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，廣西 柳州545000）

面對生活越來越智能化的今天，智慧城市的建設(shè)也如火如荼。人們在日常生活中產(chǎn)生的垃圾得不到及時的處理，垃圾堆積過久就會發(fā)臭變爛，容易滋生各種細(xì)菌，產(chǎn)生各種有害氣體，嚴(yán)重影響人們的生活環(huán)境體驗，甚至還會污染水源。根據(jù)國家統(tǒng)計局和OECD 數(shù)據(jù)顯示，近幾年我國生活垃圾產(chǎn)量保持5%左右的增長，2018 年全國生活垃圾清運量達(dá)到2.28 億噸，當(dāng)前中國已超過美國，成為全球產(chǎn)生垃圾最多的國家。最早的太陽能垃圾桶在2006 年就已經(jīng)出現(xiàn)在紐約街頭，它主要是利用太陽能轉(zhuǎn)化電能供給系統(tǒng)使用，夜間可進(jìn)行照明，垃圾桶本身可以貼廣告進(jìn)行宣傳。太陽能的利用為其他智能垃圾桶奠定了基礎(chǔ)，已具備初代智能化模型。在2009 年，Bigbelly 公司就已經(jīng)制造了一種具有垃圾壓縮和網(wǎng)絡(luò)熱點的的垃圾桶，倫敦政府曾經(jīng)攜手一家設(shè)計公司設(shè)計了一款配有雙面LED 的WIFI 無線數(shù)據(jù)傳輸智能垃圾桶。我國的珠海市云筒環(huán)?？萍加邢薰疽呀?jīng)研發(fā)了一套成熟穩(wěn)定的垃圾桶，他可以利用太陽能壓縮垃圾使其容量增大，同時垃圾桶滿了會發(fā)信息到環(huán)衛(wèi)工作人員的手機(jī)上。

這些研究展示了各種智能垃圾桶的設(shè)計，并沒有集中的管理垃圾桶，使垃圾得到一個及時有效的處理，本設(shè)計基于這個問題，展開了對于智能垃圾桶監(jiān)管系統(tǒng)的研究。

1 監(jiān)管系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本項目基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾桶監(jiān)管系統(tǒng)研究，通過現(xiàn)有垃圾桶種類與發(fā)展情況，針城市垃圾桶分布實際情況，確定系統(tǒng)的組成模塊，然后對電路控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與制作，編寫程序以及接入手機(jī)APP 等等，最后完成本設(shè)計。整個系統(tǒng)構(gòu)建框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)建框架圖

如圖1 所示，由ARM單片機(jī)控制整個系統(tǒng)的運作，通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收垃圾桶狀況數(shù)據(jù)經(jīng)過云端服務(wù)器發(fā)送到用戶終端（手機(jī)APP），環(huán)衛(wèi)工人實時監(jiān)控各個垃圾桶的狀況，及時處理垃圾。各模塊功能如下:（1）使用人體紅外傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器、氣味傳感器等傳感器傳感器搜集數(shù)據(jù)，向控制中心傳達(dá)信息，完成垃圾桶蓋的自動開啟與關(guān)閉。（3）對ARM進(jìn)行程序編程，使垃圾桶內(nèi)的紫外線的燈進(jìn)行殺菌，垃圾滿自動報警等等。（3）借助機(jī)智云服務(wù)平臺實現(xiàn)產(chǎn)品手機(jī)APP的開發(fā)及數(shù)據(jù)點的接入與設(shè)置。環(huán)衛(wèi)工人通過手機(jī)APP 遠(yuǎn)查看城市內(nèi)各個垃圾桶狀況便于進(jìn)行工作，實現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)交互。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

要實現(xiàn)對本監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，需要進(jìn)行硬件與軟件的設(shè)計，本系統(tǒng)主要是由STM32F103ZET6 單片機(jī)，紅外傳感器，溫度傳感器，超聲波模塊，ESP8266WIFI 模塊，繼電器模塊。系統(tǒng)的核心是STM32F103ZET6 單片機(jī)，負(fù)責(zé)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理然后發(fā)送到ESP8266WIFI 模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，然后在手機(jī)APP 上報警顯示，通知環(huán)衛(wèi)工作人員盡快來處理垃圾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件程序設(shè)計

本系統(tǒng)要完成對人體紅外傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器、氣味傳感器等傳感器搜集數(shù)據(jù)，還要實現(xiàn)垃圾桶蓋的自動打開與閉合，并且聯(lián)網(wǎng)把信號發(fā)送到環(huán)衛(wèi)人員手機(jī)APP 中，除了要進(jìn)行良好的硬件搭建外，還需要進(jìn)行軟件設(shè)計。本設(shè)計主要進(jìn)行軟件設(shè)計的有數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計、控制程序設(shè)計、聯(lián)網(wǎng)功能設(shè)計燈三大部分。軟件設(shè)計主要使用Keil uVision5 和STC官方固件庫，系統(tǒng)軟件設(shè)計整體流程圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計圖

系統(tǒng)上電進(jìn)行初始化后，采集人體紅外傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器、氣味傳感器等傳感器數(shù)據(jù)，只要有人靠近垃圾桶，人體紅外傳感器檢測到有人就開啟垃圾桶蓋，沒有人在旁邊時自動關(guān)閉。氣味傳感器校測到異味，溫度傳感器檢測到溫度過高，超聲波傳感器檢測到垃圾桶滿等等，都會發(fā)送報警信號到手機(jī)APP 上，環(huán)衛(wèi)人員通過查看APP 就可以及時的進(jìn)行垃圾處理，提高工作效率。

3.2 接入機(jī)智云

本系統(tǒng)是通過ESP8266-12F 模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，借助機(jī)智云平臺搭建手機(jī)APP 來查看本系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。機(jī)智云平臺現(xiàn)在是全球領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，它為個人以及企業(yè)提供了一站式的智能軟硬件開發(fā)服務(wù)。它提供的面向安卓手機(jī)APP 的應(yīng)用程序編程接口 (Application Programming Interface, API)可以使開發(fā)者較為輕松的創(chuàng)建APP，在這個基礎(chǔ)上添加本系統(tǒng)所需要的設(shè)備節(jié)點，系統(tǒng)會生成對應(yīng)的通信協(xié)議來完成數(shù)據(jù)互傳，這樣就完成了垃圾桶數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看。

想要通過ESP8266 模塊達(dá)到讓硬件連接機(jī)智云平臺，就必須在STM32F103ZET6 上移植通訊固件庫，通過燒錄機(jī)智云的GAgen 通訊固件，把云端獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)來實現(xiàn)云端通信。

結(jié)束語

在城市智能化進(jìn)程中，智能垃圾桶的管控在城市衛(wèi)生方面顯得尤為重要。經(jīng)過實驗驗證，本系統(tǒng)開發(fā)周期短，開發(fā)成本低，能有效的對城市垃圾桶進(jìn)行一個相對集中的監(jiān)控管制，在垃圾桶狀態(tài)有問題時能及時發(fā)送信息到手機(jī)APP 上，使環(huán)衛(wèi)人員的工作效率得到大大提高。