物聯監控智能垃圾分類桶的設計

葉廣源+熊正燁+李銘士+陳旭然

摘要：隨著科技的發展，人們物質生活得到飛躍的同時，生活中產生的大量垃圾卻易被忽視，垃圾分類尚未形成習慣。本設計的目的是推出一款利用物聯網技術監控的智能自動分類垃圾桶，包括物聯網技術的應用和智能自動垃圾分類。一方面該垃圾桶提醒扔垃圾的人在投放垃圾前進行分類，也可通過多種傳感器自動識別并將垃圾分類，養成垃圾分類的好習慣，并通過物聯網大數據對垃圾分類數據進行統計；另一方面，垃圾桶本身也是物聯網的接入模塊，可監控垃圾桶的狀態，并發送信號，極大地方便環衛部門對垃圾桶等公共設施智能化管理。

關鍵詞：物聯網；垃圾分類；環保；傳感器技術

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0136-03

物聯網技術應用已經非常的廣泛[1]，無論是在工業生產，還是家庭個人，都可以看到物聯網應用的痕跡。工業上，利用物聯網技術可以實時智能監控生產線，一出現生產問題，技術人員可以馬上定位故障地點進行維護，極大地提升生產效率[2]。在日常生活中，智能家居、智能電器就是物聯網技術應用的例子。大至整個家庭空間的監控，小到一個接線排插，都可以接入互聯網。物聯網的廣泛的應用提升了我們的生活質量，還可能用于改善環境[3]。在享受科技帶給我們便利的同時，需關注環境保護的問題。在日常生活中產生大量的垃圾，垃圾處理不當就會導致嚴重污染。垃圾分類是最簡單、最可行、也是最高效的資源回收方法[4]。人們對智能垃圾桶進行了很多構想[5，6]，對垃圾識別技術也進行了一些探索。自動垃圾分類可盡可能回收利用垃圾，又可有效降低垃圾處理成本， 由于其具有一定的市場潛力，很多技術和裝置都申報了專利[7，8]。本文在自動垃圾識別的基礎上，將之與物聯網技術結合，使之成為可被環保部門選用的實用型垃圾分類系統。

1 系統整體組成和功能

物聯監控的智能自動分類垃圾桶系統的設計包括智能自動分類垃圾垃圾桶、物聯網服務系統、移動端實時監控系統三大部分。每個部分有獨特的設計和功能，分布在垃圾桶上的多個傳感器是智能垃圾桶的特色，實時監控垃圾桶狀態，諸如垃圾桶內垃圾高度等信息，將這些狀態信息及時準確的提醒相關的工作人員，有助于減少勞動成本。

智能自動垃圾分類桶的智能體現在能結合微型控制系統，利用多種安裝在垃圾桶上的傳感器對人們垃圾分類意識、分類垃圾種類、分類子桶內垃圾高度等數據的采集和傳輸；對有扔垃圾意識的人進行善意提醒，幫助人們養成良好分類垃圾的習慣；利用傳感器技術識別不同類別的垃圾，然后將未分類的垃圾進行自動分類；將垃圾桶自動分類情況、狀態和安裝地點，構建數據庫幫助后續研究人員分析和再次開發。

物聯網服務系統是一個后臺管理中心計算機，其功能包括處理和分析垃圾桶上各個傳感器傳輸的監測數據，服務器自動構建相關監測數據的數據庫的搭建。如有分布式地布置智能分類垃圾桶，可對全部區域采集的數據進行比較和分析，生成相關數據報告可供后期城市建設作為公共設施布置參考。

移動端實時監控一般是提供給環衛工人使用的移動終端，便于分區垃圾桶狀態的監控。終端自帶提醒功能，能夠提醒環衛工人及時、準確的處理相關環衛工作，同時便于合理的安排工人，節省勞動力。

系統整體結構組成如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 智能自動分類垃圾桶

智能自動分類垃圾桶包括善意提示模塊、智能識別垃圾模塊、分類篩選模塊、垃圾子桶、監測垃圾桶狀態模塊、聯網模塊、太陽能電源管理模塊等。這些模塊通過合理的設計，組成整個垃圾桶的智能自動分類系統。

提醒人們在扔垃圾前將垃圾分類，幫助人們養成垃圾分類的好習慣是本設計的最基本目的。安裝在垃圾桶上的善意提醒模塊的功能就是在扔垃圾之前，通過檢測人是否有意向扔垃圾并進行相應的提醒，從而達到提醒的目的，助人養成垃圾分類的好習慣。

智能識別垃圾模塊是由電容式傳感器[9]、電感式傳感器，通過多個傳感器位置的合理排布，可以識別介電常數不同的垃圾。微型處理器采集到傳感器的信號后，經過內部的信號處理和相應軟件程序算法控制，驅動分類篩選模塊，將垃圾準確的投入到指定的垃圾子桶。當垃圾子桶滿后，安裝在子桶內部的光電傳感器將會檢測到，并將信號輸出到處理器，經聯網模塊將信息發至服務器。整套系統的所有傳感器和微型處理器構成本垃圾桶的信號監測系統，通過太陽能供電，wifi或GPRS聯網模塊將數據發送至服務器。

垃圾自動分類原理和過程如圖2所示。

2.2 無線傳輸網絡

將布置在不同公共場合的智能自動分類垃圾桶通過無線網絡連接起來，是實現物聯監控的通信基礎。分布在諸如公園、街道、公交站旁等地的智能垃圾桶，自帶無線網絡通訊模塊，根據實際場地，選擇wifi或GPRS通信。垃圾桶里安裝的傳感器將采集的數據，通過控制系統里的微型處理器將數據處理和打包后，將垃圾桶的狀態信息發送到指定的服務器，其過程如圖3所示。

2.3 后臺管理服務器

涉及到物聯網系統的應用，一般需要一臺遠程的后臺服務器，服務器作為物聯網的核心，扮演著重要的角色。在一般的物聯網系統中，后臺服務器是用于處理客戶端請求，處理和轉發數據。智能分類垃圾桶只是作為本物聯網系統的客戶端模塊，具體的實現物聯網功能，還需一臺服務器。服務器可以是一臺遠程的計算機，一般搭載開源的Linux操作系統，可以方便的供后續的升級開發工作。服務器的主要功能是處理垃圾桶傳輸過來的請求，并且將傳輸的數據進行計算處理和監控，同時將處理結果返回給移動終端。當監控的數據異常時，會通知工作人員趕到指定現場處理情況。諸如垃圾桶滿了、通信中斷、太陽能電池電量耗盡等情況。

服務器采用的是云服務器，云服務器相對于傳統服務器有很多的優點，使用云服務器，我們不需要購買硬件設備，而且可以快速的選擇搭建自己要使用的各類型服務器，同時也可以快速釋放不需要使用的服務器，這樣可以極大的節省資源。另外，云服務器在管理上也非常高效、方便，只需在遠程登入相應的主機，就可以實現遠程管理，是現在物聯網技術應用的最佳解決方案。

3 系統軟件設計

3.1 嵌入式微型控制系統

嵌入式微型處理控制模塊是一塊基于ARM的核心板，其功能主要有：提供系統時鐘、中斷、輸出I/O口、數據處理、聯網通信等功能。通過自行設計垃圾分類和篩選器的驅動電路，微型處理器可以對電路的控制，實現整個智能垃圾桶的所有功能。微型處理器是整個垃圾桶的核心，里面裝載著實現整個智能垃圾桶所有功能的軟件程序，在選取的時候，盡量選擇Cortex-M4系列的芯片，因為Cortex-M4在功耗、穩定性、信號處理上具有極大優勢，而且這款芯片也便宜，是工業嵌入式領域芯片選擇的常用方案。

3.2 物聯系統及數據庫

智能分類垃圾桶只是作為本物聯網系統的客戶端模塊，具體的實現物聯網功能，還需一臺服務器。服務器可以是一臺遠程的計算機，一般搭載開源的Linux操作系統，可以方便的供后續的升級開發工作。服務器的主要功能是處理垃圾桶傳輸過來的請求，并且將傳輸的數據進行計算處理和監控，同時將處理結果返回給移動終端。當監控的數據異常時，會通知工作人員趕到指定現場處理情況。諸如垃圾桶滿了、通信中斷、太陽能電池電量耗盡等情況。

服務器會構建一個數據庫，將每次處理的數據記錄在數據庫中，并且通過計算和分析，提供相關的數據，數據庫的作用有如下功能：其一是供給日后研究相關課題的研究人員作為數據參考；其二是可以分析人們對垃圾的分類習慣；其三是通過分析垃圾桶的使用效率，為日后公共設施的布局提供重要參考，從而做到科學、合理的分配公共資源。

3.3 移動終端APP

移動終端是供給環衛工人使用的，界面如圖4所示。移動終端是安裝在andriod系統的手機APP。在如圖所示的界面內容中，將主要的信息呈現，包括連接服務器的狀態、垃圾桶電量、垃圾桶位置、報警顯示、各個垃圾子桶的狀態、相關操作按鈕等。

移動終端在連接互聯網后，始終和服務器連接，服務器根據垃圾桶傳入的數據，經處理后發送給終端，終端也可以對服務器進行刷新請求，從而做到實時監控垃圾桶。

4 后臺中心數據庫

服務器會構建一個數據庫，將每次處理的數據記錄在數據庫中，并且通過計算和分析，提供相關的數據，數據庫的作用有如下功能：其一是供給日后研究相關課題的研究人員作為數據參考；其二是可以分析人們對垃圾的分類習慣；其三是通過分析垃圾桶的使用效率，為日后公共設施的布局提供重要參考，從而做到科學、合理的分配公共資源。

搭建數據庫對于后續的開發和研究具有很大的意義，數據對于后續的研究不僅是非常重要的參考，在研究人們對分類意識、產品的升級方面也有極大的幫助。通過對數據的分析，可以在日后的設備升級中優化智能垃圾桶的設計，在布局安裝垃圾桶時做到合理科學的分布。

5 結語

隨著社會的發展，城鎮化建設的步伐日益加快，人們對垃圾分類的意識都很淡薄，而垃圾分類在垃圾處理環節中比垃圾的再利用意義更大。所以，人們不僅要對垃圾進行分類，養成對垃圾進行分類的習慣，而且對全民形成垃圾分類的意識具有更大的意義。通過科技的手段改善垃圾分類，有利于對資源的再利用、降低工業生產成本、保護環境、降低人力的成本等，而據目前為止，除了在歐美日等發達國家外，在垃圾分類的工作上做的比較好之外，像普通的發展中國家，在垃圾分類上都做得差強人意，加上人類產生垃圾的速度遠遠大于垃圾處理速度。于是，以科學技術為第一生產力的智能垃圾分類技術的研究顯得迫不及待。所以，人們不僅要對垃圾進行分類，養成對垃圾進行分類的習慣和全民形成垃圾分類的意識具有更大的意義。我們設計的垃圾分類桶不僅具有垃圾分類的功能，還要添加人們對垃圾分類形成習慣的功能，這樣做的意義尤為重要。

垃圾是放錯地方的資源，對資源再利用的探索是我們最終的目的。我們這個項目便是開發一種裝置讓大家都形成垃圾分類的好習慣；其次，通過科學技術這種生產力對垃圾進行分類，可以大大節約人力，提高垃圾分類效率；最后通過研究這種小型的智能垃圾分類桶對以后大量、大型的垃圾處理具有非常重要的參考價值。

利用物聯網技術，將智能自動分類垃圾桶結合，實現一種即時的監控，遠程的服務器可以方便快捷地對垃圾桶狀態數據處理，如有異常可以快速的通知相關的工作人員進行處理。在服務器搭建數據庫，對后續的研究也有極大的意義，在設備的升級、垃圾桶的布局提供重要的科學管理依據。

參考文獻

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