智能垃圾桶的研究與設計

劉 紅， 許妙佳

(上海電機學院 電子信息學院, 上海 201306)

市場上垃圾桶的款式大致可以分為以下3種：① 腳部踩踏型。避免了手與垃圾桶蓋子的接觸，同時也節省了丟垃圾所消耗的體力。② 加蓋型。最常見的垃圾桶款式之一，有效阻止了氣味蔓延，一定程度上保障了周邊環境。③ 360°旋轉型。目前大部分城市垃圾桶的類型，垃圾桶的可旋轉方便了垃圾的傾倒和回收，大幅節省了環衛工作人員的體力和時間[1-3]。

目前，各種傳感器模塊的普及為智能垃圾桶提供了各種擴展功能。通過研究傳統垃圾桶使用中存在的問題，研制了一種新型的智能垃圾桶，這種新型智能垃圾桶能充分利用垃圾桶容積，設計了滿溢警示功能模塊，并對區域內的垃圾桶進行集中監控和管理，建立了智能垃圾回收系統，同時為今后新的功能擴展預留了接口。

1 系統設計

使用的Arduino Uno開發板是一個ATmega328的單片機[4-5]，ATmega328的單片機是一個集成電路，有14個數字輸入輸出端，其核心處理器是AVR，針腳數有32個，工作溫度范圍在-40～+85 ℃之間。Arduino Uno開發板模擬的輸入端口有6個，一個陶瓷晶振16 MHz的、一個與電腦通信的USB連接口、一個電源插口、一個用于通信的ICSP的接口以及一個RESET復位按鈕。

研制的智能垃圾桶根據功能有：傳感器模塊、無線通信模塊、壓縮模塊、電源模塊以及接收終端，如圖1所示。其中傳感器模塊相當于智能垃圾桶的“眼睛”和“耳朵”，分別采用了紅外傳感器、濕度傳感器和環境光傳感器，主要負責采集垃圾桶周邊以及垃圾桶內垃圾的信息，并將數據傳給上位機，由上位機作相應處理。無線通信模塊貫穿了整個智能垃圾桶的通信體系，通過無線通信模塊實現下位機和上位機之間的數據通信[6-9]。壓縮模塊是智能垃圾桶的亮點和創新點，采用類似機械臂的結構，該結構可以根據垃圾桶內的垃圾深度對垃圾進行擠壓。接收終端就是PC端，環衛工作人員的一切檢測以及操作基本都是在接收終端完成的，還可以在接收終端遠程實時檢測垃圾桶的狀態，并且根據不同的狀態做出相應的處理。電源模塊則為整個系統進行供電。

圖1 智能垃圾桶的模塊組成

2 壓縮模塊工作原理

智能垃圾桶的工作流程是先由傳感器采集如下數據：垃圾桶內垃圾的深度、垃圾桶蓋的開關狀態以及垃圾桶內的溫度、濕度等[10]，將采集到的數據反饋給ATmega328單片機，由單片機做出判斷，當檢測到垃圾桶深度接近設定值時，垃圾桶頂蓋上安置的機械臂會控制托盤對垃圾桶內的垃圾進行壓縮。當溫度、濕度傳感器檢測到垃圾桶內的溫濕度逼近某一個設定值時，會打開垃圾桶內的消毒噴淋裝置或者進行遠端報警，防止高度腐爛的垃圾傳播病菌，污染城市環境。當外置的系統重置按鈕按下時，系統會重置各模塊的數值和狀態，這個功能是為了防止系統進程卡死所設計的，也可作為緊急制動按鈕使用。如果垃圾桶深度始終接近某一個數值時，或垃圾的溫、濕度始終逼近某個值時，系統會自動對上位機發出警示，提醒PC端檢測的環衛工作人員及時處理該垃圾桶。關于壓縮模塊的流程如圖2所示。

圖2 智能垃圾桶壓縮模塊流程圖

3 硬件設計

本文研制的智能垃圾桶是由微電腦控制芯片、控制電路、多種傳感器探測裝置、機械傳動部分以及藍牙通信模塊5部分組成。控制電路模塊中采用拍合式電磁鐵來控制垃圾桶蓋的打開與關閉，當人的手或物體接近投放口時，垃圾桶蓋會自動開啟。整個系統不需要外接電源，用電池供電。

3.1 紅外測距傳感器

采用的紅外測距傳感器DFR0107，將其接入電源并通電時，會處理收集到的數據，通過一個線性公式將傳感器采集到的數據轉化成距離值[11]。此紅外測距傳感器的精確范圍在30～9 000 mm。

3.2 環境光傳感器

本文采用的環境光傳感器是DFR0026[12]，該環境光傳感器是一個基于光敏二極管的傳感器，作用為對周圍環境的光線強度進行檢測，以此與單片機進行互動。環境光傳感器DFR0026相比于傳統的利用光敏電阻制成的光敏傳感器可靠性更高，靈敏度更好，體積更小，反應速度更快。由于傳統的光敏電阻容易被環境溫度影響，受光照時的反應速度不快，而且容易被消耗導致成本變高。在本文中采用環境光傳感器主要是用來判斷垃圾桶蓋的開關情況，如果垃圾桶蓋子被打開，環境光傳感器就能檢測到光照，立刻將可能正在向下壓縮的托盤收回，防止誤傷，同時還能防止將垃圾丟到壓縮托盤上。由于垃圾桶蓋的開關是瞬時的，因此基于光敏二極管的環境光傳感器比基于光敏電阻的環境光傳感器要更適合。

3.3 溫濕度傳感器DHT11

本文采用的溫濕度傳感器DHT11是一個混合型溫濕度傳感器，它包含了校準的數字信號對外輸出，保證了它的穩定性以及可靠性和極高的準確性[13]。因為NTC的測溫元件、感濕元件以及一個極小的8位單片機的加入，控制了這個溫濕度傳感器的成本，也在一定程度上保證了其抗干擾性能和響應速度。它本身有3個平行引腳在Arduino開發板上，連接十分便捷。

在垃圾桶內部內置了溫濕度傳感器DHT11[13]，實時監控垃圾桶內垃圾的腐爛情況，一旦垃圾桶內溫濕度到達閾值，就會由內置在垃圾桶側壁的噴淋系統對垃圾噴灑消毒液，及時對垃圾進行消毒，杜絕病毒的傳播。噴灑消毒液的同時也會向上位機發出報警信息，第一時間提醒環衛工作人員對該垃圾桶內垃圾進行處理。

3.4 通信模塊

設計中通過藍牙技術來建立上位機和Arduino之間的數據通信。相比于Wifi通信，藍牙通信在目前的智能設備中普及面較廣且應用范圍大；藍牙成本低；而且藍牙使用起來往往是點對點，因此建立通信十分方便，而Wifi通信無論是成本還是建立通信所需要的AP設備或是路由器都不適合。此處還有一個功耗問題，同樣的6節5號電池給Wifi通信模塊供電只能堅持短短幾天[14]，而藍牙通信模塊卻能堅持長達數周，由于垃圾桶供電模塊的局限性，不采用Wifi通信模塊。設計中采用的藍牙通信模塊是HC05，HC05本身是類似于電腦一體機的一款藍牙設備。

3.5 機械結構

菱形折疊機械手臂對于轉軸部分的結構要求較高，項目中的方案是上下兩手臂安裝選用相同長度的手臂并使用相同轉速的電動機，機械臂在收縮和展開過程中都會占用一定的空間，在方案設計階段，考慮了折疊功能。該設計方案中，將菱形折疊機械臂定位3級(n=3)，d2略大于45 cm(材料長度不能隨意取值)。動力系統用2個相同轉速的電動機提供相同大小的力矩，齒輪同時帶動機械臂，避免力矩過大。項目中用TowerPro SG90舵做壓縮機械臂的兩個主動軸，通過舵機和硬紙板的連接，模擬出了一個能夠向下壓縮的菱形機械結構，菱形機械結構如圖3所示。

圖3 菱形機械壓縮手臂結構圖

3.6 智能垃圾桶

設計的智能垃圾桶控制程序分為主程序、等待延時和定時中斷。主程序對紅外測距傳感器DFR0107、環境光傳感器DFR0026、溫濕度傳感器DHT11和震動傳感器等進行管控。智能垃圾桶的制作過程是：硬件安裝(模塊鏈接)；燒錄程序；制作垃圾桶模擬模型。實驗階段為了監控顯示效果以及管控結果，系統中另外加入了I2C LCD1602液晶模塊。上位機軟件(Serial Port Utility)用于實時檢測垃圾桶的狀態，包括：垃圾桶深度、垃圾桶剩余容量、垃圾桶蓋子開關與否以及垃圾桶已達警示狀態，用戶也可通過其來監控相關信息。拓展版串口監視器Serial Port Utility和Arduino IDE軟件中自帶的串口監視器最大的不同是：它可以將獲得的數據通過TXT文件導出，這為后續推算垃圾流量周期提供了數據。

垃圾桶由6節5號電池供電[15]，用2塊I2C LCD1602液晶模塊來分別顯示垃圾桶的剩余容量、狀態以及垃圾桶內部的溫度、濕度。數字按鈕模塊用于代替Arduino開發板上的Reset鍵。數字紅色LED發光模塊是用來在托盤壓縮過程中警示環衛工作人員或是丟垃圾的人員注意托盤正在擠壓垃圾，防止被托盤誤傷。

圖4左下角是溫濕度傳感器。圖4中的兩個按鈕分別控制軟重置功能和LCD顯示屏背光功能，藍牙模塊安置在結構正上方的紙板背面，以防外力干擾[16]。

圖4 智能垃圾桶總體結構圖

4 結 語

本文介紹了基于Arduino的智能垃圾桶的設計理念，設計了系統的各個模塊：研制的傳感器模塊、無線通信模塊、機械壓縮結構模塊以及接收終端和電源模塊。智能垃圾桶能有效地利用垃圾桶的容積，對垃圾桶內的多種數據實現有效監控，減輕工人的勞動強度，提高環境衛生水平。理清模塊與模塊間的邏輯關系，闡明了設計理念和思路。為了防止系統進程鎖死，在系統中寫入了一個軟重置代碼，并將按鈕做在了垃圾桶頂蓋上，方便非專業人員使用。使用的軟件是一個外掛軟件，主要用于數據的接收、存儲以及導出。