基于物聯網技術的垃圾桶智能管理系統設計與實現

朱松林　崔忠偉　帥莽莽　盛升

摘 要：利用核心控制單片機AT89S51結合GPRS短信收發模塊GSM900C、重力檢測模塊、超聲波測距模塊、溫度檢測模塊以及外圍輔助電路，設計了一個集多種檢測報警功能為一體的、對垃圾桶進行智能化管理的多功能管理系統。

關鍵詞：智能垃圾桶；單片機；溫度檢測；超聲波檢測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

無數中國家庭的居家清潔問題急需解決，人居品質、生活檔次需要提升。我們面臨著不少問題和挑戰，環境建設有待完善，酒店、娛樂場所、機房、醫院等公共場所的垃圾收納、處理問題需要解決。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們在購買各種家具或家電時越來越重視其智能化和人性化[1-3]。人們在生活中產生的生活垃圾都需用垃圾桶放置，考慮到環衛人員對垃圾處理的繁雜工作、衛生監管局對城市垃圾桶的監管不便等給城市環境造成的城市垃圾處理不及時、影響市容市貌等問題。提出了具有自動報警功能的智能垃圾桶設計方案。當垃圾桶裝滿、垃圾桶溫度過高或垃圾超重時，垃圾桶就會自動發出短信報警，相關人員便能對垃圾桶進行相應的處理。目前國外關于智能垃圾桶方面的研究取得了顯著的進步[4-10]。美國公開了一種以太陽能為能源的智能垃圾桶，該垃圾容器具有垃圾壓縮功能，并能夠對垃圾容器的使用狀態進行監測，在垃圾容器裝滿時安裝在箱外的紅燈打開，并通過有線或無線方式通知相關人員對垃圾桶進行相應處理。該垃圾容器采用的技術方案是通過檢測垃圾壓縮機構的行程來判斷垃圾容器是否裝滿，對于沒有垃圾壓縮功能的垃圾容器就無法再檢測是否裝滿。國內城市的垃圾桶一直處于發展階段[11，12]，城市化進程中人口密集的區域不斷形成，我們所見的傳統的垃圾桶在使用過程中已暴露出很多缺點：大量的生活垃圾得不到及時處理，若清潔工人沒有及時來收走垃圾，多余的垃圾就會從垃圾桶溢出來，非常影響市容的美觀。

1 系統功能與原理

本系統的總體功能是對垃圾桶內垃圾高度、溫度、重量進行檢測，將數據通過信息處理模塊和GPRS發送模塊將信息發送到終端機和手持終端等設備上，便于了解各區域垃圾桶信息及現狀、掌握各區域垃圾量信息，實現對各區域垃圾桶的合理分布及智能化管理。

1.1 垃圾高度檢測

這是利用無線傳感器測距技術以及數據處理技術的數據化信息處理裝置。這種裝置能精確檢測垃圾桶內的垃圾高度，并收集數據及對數據進行處理，實時將數據通過短信方式發送到環衛人員手持終端上，使垃圾環衛人員能及時而有效的對垃圾桶內垃圾進行收納、處理。一方面防止垃圾溢出影響市容，另一方面提高了環衛人員的工作效率，減少重復無效的工作，節約了人力成本。

1.2 垃圾溫度檢測

垃圾溫度檢測是現代化智能垃圾桶的一種新型檢測方式，通過溫度傳感器實時檢測垃圾桶內垃圾溫度并將檢測到的數據交由檢測中心控制模塊進行處理，整合成信息，實時傳回監控中心，有效防止由于溫度過高燒毀垃圾桶以及垃圾桶燃燒帶來的破壞。

1.3 垃圾重量檢測

通過重力檢測模塊可實時檢測垃圾桶內垃圾重量并將檢測到的數據交由檢測中心控制模塊進行處理，整合成信息，實時傳回監控中心，有效防止由于垃圾桶內垃圾過重對垃圾桶造成的損壞。

1.4 檢測中心控制模塊故障檢測

通過檢測中心故障檢測及報警模塊，可對檢測中心控制模塊進行定期檢測并將數據實時傳回監控中心，實現了對檢測中心控制模塊的有效維護。

1.5 顯示模塊、GPRS發送模塊、監控中心

用于實時顯示垃圾桶現狀、對檢測中心信息進行發送、實時監控垃圾桶各屬性并做出相應處理。

2 系統硬件結構設計

系統硬件包括垃圾桶體機械結構和硬件控制電路兩個部分[1，13-17]。其中桶體機械結構為一單一垃圾桶，能按照桶內不同模塊的設置作出相應的反應。系統硬件電路總體結構框圖如圖1所示，包括電源模塊、單片機最小系統、高度檢測模塊、重力測量模塊、溫度監測模塊、各檢測中心控制模塊、GPRS報警短信發送模塊、信息顯示模塊及處理模塊。

本系統的工作原理是：首先通過檢測中心控制模塊控制各檢測模塊檢測出桶內垃圾狀態，同時通過信息處理模塊將垃圾信息進行計算、處理、整合為一條有用信息，再通過GPRS發送模塊將信息發送到各種手持終端及控制中心終端上，并將傳送的信息利用顯示模塊進行顯示。

3 系統功能的實現

3.1 溫度檢測模塊的實現

模塊由多個型號為DS18B20的溫度傳感器連接到AT89C51單片機相應I/O口組成。在垃圾桶內部表面均勻安裝有多個型號為DS18B20的溫度傳感器，每個溫度傳感器負責監測一定范圍內溫度變化的情況，當某個傳感器檢測到所負責的范圍溫度大于或等于事先預設的溫度，則觸發單片機最小系統動作，從而觸發信息處理模塊等一連串的動作，從而實現溫度檢測。

3.2 高度檢測模塊的實現

模塊由多個測距傳感器HC-SR4與單片機最小系統連接組成。在垃圾桶桶蓋內側均勻安裝有多個測距傳感器HC-SR4，每個測距傳感器負責一定的范圍，當有1/2傳感器檢測到所負責的范圍垃圾高度大于或等于垃圾桶高度的19/20，則觸發單片機最小系統動作，從而觸發信息處理模塊等一連串的動作，進而實現對垃圾高度的檢測。

3.3 重力檢測模塊的實現

該模塊由多個小尺寸紐扣式微型稱重傳感器及單片機最小系統連接組成。在垃圾桶桶底安裝有1個壓力傳感器，當該傳感器檢測到桶內垃圾的重量大于或等于事先預設的某一重量時，則觸發單片機最小系統動作，從而觸發信息處理模塊等一連串的動作，進而實現對垃圾重量的檢測。

3.4 檢測中心控制模塊的實現

該模塊主要由型號為AT89C51的單片機及短信收發模塊GTM900C組成，主要對本系統所包含的三大檢測模塊進行控制，對檢測到的數據進行收集并統計分析，形成文字信息存儲并交由華為出品的GTM900C開發板信息發送模塊發送。

3.5 自動報警模塊的實現

由GTM900C短信發送模塊與AT89C51單片機相應I/O口連接組成，主要是將上述檢測中心通過三大檢測模塊得到的文字信息傳送到監控中心終端機及環衛工人手持終端上，達到報警的目的。

3.6 本系統主程序流程圖

圖2所示為本系統主程序流程圖。高度檢測模塊檢測智能垃圾桶內的垃圾高度，溫度檢測模塊檢測桶內垃圾溫度，重力檢測模塊檢測桶內垃圾重量并將智能垃圾桶內的垃圾信息傳輸給檢測中心控制模塊，如果垃圾桶的主控中心對垃圾信息的處理結果顯示該垃圾桶未滿或未超重或溫度未過高，則說明垃圾桶正常工作；如果智能垃圾桶的垃圾信息表示該智能垃圾桶已滿、溫度過高或超重，則檢測中心控制模塊通過GPRS發送裝置將該智能垃圾桶已滿、溫度過高或超重的信息傳輸給清潔人員攜帶的無線手持終端和終端機。相關人員對垃圾桶狀態進行處理和更新。主要程序指令有：

3.7 軟件設計流程分析

本系統采用結構化模塊程序設計，所謂“模塊”，其實質就是指具有一定功能、相對獨立的程序段。首先在編程過程中將所要完成的各個功能分別按模塊編寫和調試，當所有模塊調試成功以后，再將各個模塊連接在一起整合形成系統。

結構化模塊程序設計的主要特點：

（1）一個單獨模塊的程序編寫、查錯等比一個完整系統的程序更容易；

（2）模塊化程序可以實現共享，一個模塊化程序可被多個任務在不同的條件下調用；

（3）把輸入和輸出進行封裝，可以減少程序不必要的重復修改；

（4）這樣的設計不但有利于程序代碼的優化和共享，而且便于設計、調試和維護，同時也可以增強系統的可靠性。

圖3所示為主控制器的程序流程圖。

4 結 語

本系統所設計的智能垃圾桶是智能家居的其中之一，本設計不僅實現了非常環保的智能垃圾桶，同時也實現了對特定區域垃圾桶的實時監控，這為公眾的健康提供了保障，同時也為減輕管理人員及環衛工人的工作負擔發揮了積極的作用，由于基于AT89S51單片機實現的垃圾桶智能管理系統成本低、實用性強且功能完善，因此本系統具有良好的社會效益和經濟效益。

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