基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾回收系統(tǒng)設(shè)計

楊莫寒，張澎濤，白旭，馮藝，姚可欣，王仕臣

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

本項目積極響應(yīng)國家“十四五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，針對目前主流垃圾回收裝置在垃圾回收時存在的處理緩慢或者遺漏處理的現(xiàn)象，導(dǎo)致最終效果不理想，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幾乎沒有被應(yīng)用于垃圾分類回收方面[1]。物聯(lián)網(wǎng)是未來產(chǎn)品的重要發(fā)展方向，但現(xiàn)在針對垃圾回收的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計卻很少，因此我們希望開發(fā)出一款可以實現(xiàn)垃圾自動打包功能并且與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的裝置[2]。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)就是利用各種傳感器裝置與技術(shù)，實時采集相關(guān)的需求并進(jìn)行監(jiān)控、連接與互動相關(guān)過程；并且可以通過布網(wǎng)技術(shù)以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、公共安全技術(shù)、云計算等將產(chǎn)品設(shè)施集成，構(gòu)建一個相對完整的管理系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的便利性、舒適性、藝術(shù)性和安全性等[3]。物聯(lián)網(wǎng)是未來產(chǎn)品的重要發(fā)展方向，但現(xiàn)在針對垃圾回收的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計卻很少。

2 項目實體構(gòu)建

2.1 研究路線

研究路線如圖1所示：

圖1 項目研究路線圖

在垃圾回收部分，我們采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動，設(shè)計控制電路，進(jìn)行真空密封處理，使用真空抽氣機(jī)進(jìn)行真空密封。

在物聯(lián)網(wǎng)部分，每個子裝置會設(shè)置Esp8266串口轉(zhuǎn)WIFI模塊與STM32F407最小系統(tǒng)板采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至云端。主機(jī)采用Zigbee節(jié)點作為終端，可以精確地采集各節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，之后通過我們自主研發(fā)的APP結(jié)合Floyd算法求出垃圾回收最短路徑[4-5]，并根據(jù)GM（1,1）灰色預(yù)測模型預(yù)測部分地區(qū)情況處理數(shù)據(jù)，作為終端以實時監(jiān)測并調(diào)度。

2.2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)原理圖

當(dāng)垃圾回收裝置將垃圾進(jìn)行一次打包后，垃圾桶內(nèi)置的單片機(jī)檢測垃圾回收裝置內(nèi)部情況（包括垃圾桶內(nèi)每種垃圾剩余可儲存容量，上一次垃圾清理的時間等）并且將這些信息通過ESP8266串口轉(zhuǎn)WIFI模塊，將信息傳送至云端，之后主機(jī)接收到信息進(jìn)行分析與處理,通過Floyd算法求出垃圾回收最短路徑，并根據(jù)GM（1,1）灰色預(yù)測模型預(yù)測部分地區(qū)情況，可以有效的減少一些垃圾車的種類以及垃圾車的數(shù)量，方便對每一種類垃圾車派遣的地方進(jìn)行規(guī)劃。例如垃圾剩余存儲容量較大的情況下，則該回收裝置在短期內(nèi)不需要垃圾車進(jìn)行清理。這種通過預(yù)測數(shù)據(jù)來進(jìn)行垃圾車有效分配的方式不僅可以有效地減少人力需求，還能提高垃圾分類的效率，達(dá)到垃圾處理的智能便捷化。同時，垃圾桶在一段時間內(nèi)上傳的數(shù)據(jù)也會被記錄，通過大數(shù)據(jù)的預(yù)測與處理，之后垃圾桶的投放會因此受到一定的影響，如果某一地區(qū)的垃圾排放量較大的話，就可以考慮適當(dāng)?shù)脑黾永巴斗诺姆N類與數(shù)目，這樣可以更好地實現(xiàn)資源的再次利用。

2.3 項目綜述

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾回收系統(tǒng)目標(biāo)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、檢測技術(shù)、單片機(jī)控制原理、自動控制理論、機(jī)械原理、電機(jī)拖動、單片機(jī)控制原理等知識，以單片機(jī)為核心，結(jié)合檢測電路、控制元件及機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，將不同類別的垃圾進(jìn)行處理，將采集的信號進(jìn)行分析處理，之后將數(shù)據(jù)上傳云端，主機(jī)對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行整合預(yù)測，之后進(jìn)行回收垃圾路徑的規(guī)劃，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)作從而實現(xiàn)垃圾二次處理的智能便捷化，開發(fā)出一款可以實現(xiàn)垃圾自動檢測、自動處理功能并且與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的裝置。基于物聯(lián)網(wǎng)的可自動分類垃圾裝置，可以很大程度上提高垃圾回收效率，減少垃圾處理方面的勞動力需求，降低垃圾處理的成本。本項目主要分為兩部分：

（1）實體垃圾自動化處理裝置。當(dāng)垃圾被投放在垃圾回收裝置內(nèi)時，系統(tǒng)可以將垃圾進(jìn)行打包處理以減小垃圾所占空間，并檢測垃圾回收裝置內(nèi)部剩余容量，為上傳云端數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備。

（2）物聯(lián)網(wǎng)智能化協(xié)作。當(dāng)垃圾分類處理完成后，會將不同種類垃圾的數(shù)量以及裝置內(nèi)每類垃圾可繼續(xù)存儲的容量等信息上傳云端。后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析，對容量即將達(dá)到上限的垃圾桶，會派指定垃圾車（與垃圾種類一一對應(yīng)，以防止出現(xiàn)同種垃圾車裝不同垃圾，導(dǎo)致垃圾回收效率變低問題）進(jìn)行處理，同時通過Floyd算法求出垃圾回收最短路徑，提高回收效率，同時，物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后可以有效的減少一些種類垃圾車的數(shù)量，以及根據(jù)GM（1,1）灰色預(yù)測模型預(yù)測部分地區(qū)情況，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)作，從而實現(xiàn)垃圾二次處理的智能便捷化。

3 項目軟件介紹

工作之余提高效率成為越來越多人的選擇，而生活垃圾綜合回收處理系統(tǒng)正是以此為契機(jī)開發(fā)出的軟件，系統(tǒng)集生活垃圾綜合回收處理、界面、設(shè)備管理、管控日志為一體。從系統(tǒng)開發(fā)的角度出發(fā)，軟件把系統(tǒng)按功能逐次分割成層次結(jié)構(gòu)，使每一部分完成簡單的功能且各個部分之間又保持一定的聯(lián)系。在操作階段,基于這個功能的層次結(jié)構(gòu)把各個部分組合起來成為系統(tǒng)，并采用了SQL SERVER 2008數(shù)據(jù)庫，使得本系統(tǒng)可以方便地和其他子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

概念結(jié)構(gòu)操作根據(jù)需求核對抽象出信息結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的E-R圖（實體-聯(lián)系圖，Entity Relationship Diagram）如下圖所示，提供了表示實體類型、屬性和聯(lián)系的方法，用來描述現(xiàn)實世界的概念模型）

圖4 產(chǎn)品信息管理E-R圖

圖5 控制考核管理E-R圖

系統(tǒng)集實時監(jiān)控預(yù)警、最優(yōu)處理、數(shù)據(jù)采集與存儲等功能為一體，能夠更直觀地顯示各類數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同情況給予操作者建議，還能根據(jù)操作者的要求，進(jìn)行設(shè)備的添加或者刪除。并且可以多個相同的系統(tǒng)可以進(jìn)行組網(wǎng)，互構(gòu)成子母系統(tǒng)，或者結(jié)合現(xiàn)場總線控制方式，以該系統(tǒng)作為主控制器結(jié)合各個執(zhí)行器（智能垃圾桶）組成小型物聯(lián)網(wǎng)，使垃圾的處理更加智能化和簡易化，改變了原有的垃圾處理方式。

5 結(jié)語

通過研究基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾回收系統(tǒng)，以最大限度地實現(xiàn)垃圾處理的便捷智能化，此項目的探索有如下優(yōu)點：（1）概念新穎，與時代結(jié)合緊密，能夠有效解決垃圾分類的難題，因此對資源的有效和高效回收具有開創(chuàng)性的意義，應(yīng)用前景十分廣闊；（2）基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾回收系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)宏觀調(diào)控，可以有效降低垃圾回收人工工作強(qiáng)度，提高了工作效率并改善了垃圾箱環(huán)境，比一般垃圾桶更為人性化；（3）應(yīng)用范圍廣，發(fā)展前景大，符合國家環(huán)保要求；（4）模塊化程度高，并且體積適中，易于安裝、調(diào)試和維修，可以拓展附加功能。