智能垃圾設備監測系統

朱效恒，禹素萍，許武軍，范 紅

（東華大學信息科學與技術學院，上海 201620）

0 引言

互聯網的云計算、云存儲、數據庫等技術極大促進了物聯網監測技術的發展，智能垃圾監測系統得到開發及應用。Aazam 等提出一種基于云的智能垃圾管理系統。該系統垃圾箱內嵌有傳感器，可以監視垃圾箱內部信息，將垃圾箱數據傳到云端；Babyc 等提出一種智能垃圾報警系統，使用“機器學習”概念收集特定區域垃圾生成數據，對產生的垃圾量進行預測；Minhaz 等提出一種基于智能物聯網的集成系統。該系統以Arduino 作為控制器，傳感器用于識別和測量垃圾數據，系統可連續監測垃圾桶數據并通過LCD 顯示屏顯示百分比，使用GSM 模塊通知相應人員收集垃圾；于芳等提出一種基于安卓的智能車載垃圾桶實時監測系統。該系統由STC89C52 單片機作為主控制器，桶內連接傳感器，實現異味監測、蜂鳴器報警、積液監測、紫外線殺菌等功能。該系統可通過APP 實時監測，通過藍牙模塊控制系統的滿溢提醒模塊和紫外線消毒模塊；劉欣雨等提出一種基于STM32 單片機的垃圾分類回收監測系統。該系統采用STM32 處理器，控制重力傳感模塊和語音播報模塊。重力模塊負責垃圾箱的稱重，語音模塊對錯誤垃圾行為給予建議。通過ZigBee 協議將數據傳輸到上位機模塊，通過上位機查看垃圾分布、垃圾容量等數據，實時監控垃圾站工作情況。

近年垃圾分類在我國備受重視，促進了智能垃圾設備研究。張林等提出一種基于STM32 的智能垃圾桶，該垃圾桶具有語音識別、揮手開蓋、障礙躲避和打掃等功能；王科舉等提出一種基于樹莓派和Arduino 的智能垃圾桶，該垃圾桶結合yolov3-tiny 深度學習模型識別分類垃圾；徐愛蘭等提出一種基于NB-IOT 的垃圾滿溢監測結點設計，該系統利用超聲波測量垃圾桶內垃圾容量，通過NB-IOT將告警信息傳送至云服務端，方便工作人員對垃圾桶管理；丁小偉等進行智能垃圾設備設計，該設備采用STC89C51 作為控制器，人體感應自動開蓋，具有溫度監測及報警功能，可通過APP 控制智能垃圾桶；劉鵬等提出一種基于語音交互功能的智能分類垃圾箱，該垃圾箱以Arduino 作為控制器，LD3320 語音模塊作為人機語音交互功能和語音識別播報系統，實現垃圾桶的開合、傾倒和自動打包功能。2019 年底新冠肺炎疫情給我國衛生體系帶來了巨大挑戰，智能垃圾分類設備和基于物聯網技術的監測系統需要進一步整合，以保障公共衛生安全。

但以上方法均未在垃圾監測系統能耗上進行研究，未進行基于微信小程序的垃圾桶監測設計。在前述研究基礎上，本文結合樹莓派、傳感器技術、微信小程序、Onenet 等技術，采用國產USB 北斗接收機三模GNSS 替代GPS 作為定位模塊，并采用輕量級微信小程序替代傳統的手機APP 軟件作為垃圾設備監測端，實現數據折線圖顯示，通過微信報警實時通知工作人員。

1 系統架構體系

1.1 系統結構

如圖1 所示，垃圾分類監測系統核心模塊包括智能垃圾桶采集端、云服務器端、微信小程序監測端。智能垃圾桶采集端包含若干個垃圾收集設備子系統，每個垃圾收集設備子系統有4個垃圾桶，分別是可回收垃圾桶、干垃圾桶、濕垃圾桶和有害垃圾桶。

Fig.1 System structure圖1 系統結構

1.2 子系統硬件結構

子系統硬件結構如圖2 所示，垃圾收集子系統以樹莓派3B+作為主板，包含人體紅外感應器模塊、滿溢檢測模塊、防火檢測模塊、位置定位模塊、殺菌消毒模塊、供電模塊。微信小程序數據實時監測端包含實時數據監測模塊、實時報警模塊、報警歷史信息模塊和個人信息模塊。云服務器數據存儲端負責系統的數據存儲與中轉，作為數據采集端和數據監測端的橋梁。

Fig.2 Subsystem hardware structure圖2 子系統硬件結構

2 系統設計與實現

2.1 智能垃圾桶設計

以樹莓派3B+作為主控制器，控制智能垃圾桶端實現命令信息發送，各個模塊自上而下運行，實現垃圾分類并獲取垃圾桶內部數據信息，工作流程如圖3 所示。

Fig.3 Work flow of intelligent garbage equipment圖3 智能垃圾設備工作流程

（1）人體紅外感應模塊。出于節能和防止語音垃圾桶誤操作考慮，在沒有人投放垃圾時，語音模塊系統進入自動休眠狀態。當有人靠近垃圾桶一定距離時，通過人體紅外傳感器感應，系統啟動進入工作狀態，語音模塊啟動，垃圾桶進入正常工作狀態。該模塊采用HC-SR501 人體紅外傳感器，工作電壓為直流5～20V、感應范圍錐角小于120°、距離小于7m，傳感器有3個引腳：VCC、GND 和DATA。

（2）語音控制模塊。為預防垃圾桶作為中介帶來病菌交叉感染，設計用戶在投放垃圾時不需要用手打開垃圾桶。采用LD3320 語音模塊，通過語音控制舵機旋轉打開垃圾桶投放口。為節省能耗，方便樹莓派模塊休眠又不影響垃圾桶工作，采用語音模塊微控制器Arduino。LD3320語音模塊工作電壓為直流3～5V，模塊的引腳分別是VCC、GND、CLK、DO、DI、CS、RST 和IRQ。模塊通過控制舵機打開垃圾桶蓋，180 度SG90 舵機控制垃圾桶蓋開合，舵機電壓工作范圍為直流4.8V-6V，通過PWM 控制特定角度旋轉，舵機有3個引腳：VCC，GND 和OUT。

（3）滿溢檢測模塊。垃圾桶滿溢監測設計自動測量垃圾桶內垃圾容量，當垃圾量沒有超過設定值時正常工作，當垃圾容量超過設定值后垃圾箱的滿溢指示燈點亮，采用HC-SR04 超聲波傳感器自動將垃圾桶容量信息和滿溢信息上傳至云服務器。其工作電壓為直流5V，探測距離小于4.5m，精度0.2cm。超聲波模塊的引腳為VCC、Trig、Echo、GND。

（4）防火檢測模塊。桶內高溫或在桶內錯投未熄滅的煙蒂，很容易引發桶內火災。從防火安全和保護元器件考慮，當桶內溫度超過50°C 時防火提示燈點亮，并將數據上傳。模塊采用DS18B20 溫度傳感器，電壓范圍為直流3.0～5.5V，溫度范圍-55～+125°C，在-10～85°C 時精度為±0.5°C。傳感器的引腳為VCC、GND 和OUT。

（5）位置定位模塊。垃圾桶位置安放會不斷調整，因此垃圾桶安放點具有不確定性。為每個子系統安裝定位模塊，垃圾桶報警通知，保潔人員可通過地圖進行定位找到對應垃圾桶，進行相關處理。此模塊采用USB 北斗接收機三模GNSS 定位模塊。USB 接口樹莓派可以免驅動，支持BDS、GPS 和GLONASS 系統，定位精度為2.5m。

（6）消毒殺菌模塊。2019 年底新型冠狀肺炎爆發，公共衛生安全引起人們高度重視。為防止病毒和細菌滋生，在垃圾桶內安裝了紫外線燈，每12個小時殺毒消毒模塊工作半小時。該模塊通過繼電器控制消毒燈開關進行定時殺菌消毒工作，采用LED 紫外線殺菌UV 燈，工作電壓12V。

（7）供電模塊。樹莓派輸出電壓有3.3V 和5V 兩種電壓，無法滿足高于5V 的電壓以及多元器件負載，有必要設計一個獨立供電模塊，負責樹莓派供電以及其它元器件供電。在無人投放垃圾時樹莓派進入休眠狀態，防止滿溢模塊、防火模塊等損耗電能。為了依據現實情況便捷移動垃圾設備，供電模塊采用太陽能電池板供電。

2.2 微信小程序監測端功能設計

垃圾設備監測系統移動端大多采用電腦上位機Web網頁端或手機APP 程序。近年微信用戶發展很快，手機移動端一般都安裝有微信軟件。微信小程序具有開發簡單、使用便捷的優勢。

（1）應用程序文件結構。應用程序主要使用的技術有JS（Javascript）、JSON、和WXSS。.js 文件應用程序是邏輯文件，.json 文件應用程序是配置文件，.wxss 應用程序是定義公共樣式。應用程序主要由實時數據、實時報警、報警歷史和個人信息4個頁面組成，程序文件目錄結構描述如表1所示，該程序的重要代碼模塊說明如表2 所示。

Table 1 Application file directory structure表1 應用程序文件目錄結構

Table 2 Important code description表2 重要代碼說明

（2）小程序與云服務器數據交互。小程序端調用wx.login（）方法獲取到當前用戶代碼，傳給服務器。Wx.request 發起HTTPS 網絡請求，GET 方法獲得云服務器數據，POST 方法發送數據到云服務器，傳輸數據是String 類型。通過統一資源定位器（Uniform Resource Locator，URL）和API-KEY 獲取云服務器數據。

（3）實時數據和報警歷史界面。調用wx-charts 應用程序圖形，它基于canvas 繪制，具有體積小的優點，支持餅圖、線圖、柱狀圖、區域圖等圖表類型。實時數據頁面顯示垃圾設備的溫度和容量折線圖，報警歷史界面柱狀圖顯示調取云服務器的溫度、滿溢報警次數。

（4）實時報警頁面。實時報警頁面顯示報警模塊信息。從云服務器獲取到報警信號后，在頁面顯示垃圾設備類型。微信用戶通過appid 和seret 連接微信接口，報警信息通過微信接口實時發送報警信息到指定微信用戶。

（5）個人信息頁面。注冊頁面，在WeUi 基礎樣式庫找到對應樣式，使用input 實現輸入框。個人信息頁面與注冊頁面布局相似，通過注冊頁面輸入生成如姓名、手機號等信息。在相應的JavaScript 文件的data 數組定義變量userinfo。Userinfo 的值通過后臺需求訪問，獲取用戶信息并保存在本地，通過onload（）函數從本地讀取賦值。

2.3 云服務器端設計

收集硬件端垃圾桶的數據信息，負責儲存數據，起到數據中轉站的作用。

（1）創建產品。選擇http 協議傳輸數據，平臺側提供以下功能：存儲設備上報的數據點，提供API 接口實現設備管理，提供數據推送到應用；登錄注冊中國移動物聯網平臺，進入平臺選擇控制臺的多協議接入選項，創建產品；添加產品參數，如表3 所示。

Table 3 Adding product information表3 添加產品信息

（2）添加設備。每個產品對應多個設備，通過設備設置數據流，用于接收垃圾箱采集端的各種數據。本文以一個智能垃圾設備（1 號智能垃圾設備，鑒權信息為smartnumber1）為例進行闡述，其它垃圾設備設置同理。

（3）添加數據模板。為收集智能垃圾采集端的數據，在創建設備中添加數據流模板。該智能垃圾監測系統主要對垃圾桶內溫度、垃圾容量、溫度報警次數、滿溢報警次數、故障報警次數、位置經緯度、殺菌消毒次數等信息進行采集。數據模板如表4 所示。

Table 4 Data template表4 數據模板

3 微信小程序結果展示

如圖4-圖7 所示，在“實時數據顯示”頁面中，折線圖查看垃圾設備內4個桶的溫度和容量信息；在“實時報警信息”頁面中，依次可以看到溫度報警模塊、滿溢報警模塊和故障報警模塊信息；在“報警歷史信息”頁面中，柱狀圖顯示滿溢和防火報警情況，以此觀察報警次數，柱狀圖顯示“1”代表某個時間報警信息，不顯示則為正常工作；在“個人信息頁面”可以查看用戶的微信頭像、姓名、手機號、性別、工作區域、工號、入職年份等信息。

Fig.4 Real-time data page圖4 實時數據頁面

Fig.5 Real-time alarm page圖5 實時報警頁面

Fig.6 Alarm history page圖6 報警歷史頁面

Fig.7 Personal information page圖7 個人信息頁面

4 結語

為配合垃圾分類政策，貫徹現代社會綠色可持續發展理念，本文利用物聯網和互聯網各自的優勢，依靠數據采集和分析合理分配資源，結合微信小程序、云服務器等互聯網技術，設計了一種智能垃圾設備監測系統。采用樹莓派和Arduino 雙控制板，Arduino 控制樹莓派的獨立電源，達到節省能耗的目的。本文還設計了一款協助保潔人員管理垃圾設備和收集垃圾的微信小程序，直觀顯示采集數據的動態信息，可直接查看報警信息。后續工作是將系統優化，增加后臺管理平臺，利用大數據處理技術分析垃圾設備數據，使垃圾設備分布更加合理，配合保潔人員更加高效地進行垃圾分類，提高設備利用效率。