基于物聯網的智能垃圾箱管理系統

（山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

引言：近些年來隨著人們生活水平逐步提高，人們對于自己周邊的生活環境的關注度也愈來愈高，在此情況下，街道周邊的垃圾箱問題，就成了人們關注的焦點，每次投放垃圾時，垃圾箱不是滿溢就是蒼蠅亂飛、臭味撲鼻，這種狀況不僅十分的影響人們的心情，同時也在污染著周邊的環境，垃圾箱滿溢的情況下，垃圾堆積在垃圾箱旁邊，或者四散在周圍，傳統城市垃圾箱成為城市環境保護中的癬疥之疾，成為許多城市環境衛生治理人員的心頭病。

在這種情況下，基于物聯網的智能垃圾箱管理系統，就顯得十分的必要了，智能垃圾箱管理系統中的硬件部分—智能垃圾箱采用了封閉式的管理，這樣垃圾箱內垃圾的異味就不會散發出來，而當有人靠近垃圾箱時，垃圾箱蓋會自動打開，實現無接觸式的垃圾丟棄，同時垃圾箱的滿溢提醒設計，最大程度上解決了垃圾箱堆滿溢出，污染環境、影響市容的問題。

智能垃圾箱管理系統的軟件部分設計，為城市環衛調度以及城市垃圾箱定點合理規劃投放提供了可能性，系統的PC管理終端起到了良好的監管調度作用，系統的Android客戶端起到了提醒及供個人查看的作用，系統的云端數據庫起到了大量數據存儲的作用，云端數據庫存儲數據主要用以時間較長的數據分析，三者協同作用與城市各個街道安置的智能垃圾箱共同構成了智能垃圾箱管理系統，以最徹底、最高效、最智能化的方案解決了傳統垃圾箱給城市帶來的諸多問題。

1 智能垃圾箱管理系統的優勢和整體結構

1.1 智能垃圾箱管理系統的優勢

第一，智能垃圾箱在便捷性和環境友好程度上要超過傳統的垃圾箱，智能垃圾箱擁有優于傳統垃圾箱的自動開蓋功能，這樣當人們扔垃圾的時候，就可以實現無接觸式的丟棄垃圾，干凈衛生又便捷，另外不同于傳統垃圾箱露天式擺放，智能垃圾箱在不使用的時候是關閉的，避免了垃圾箱內部垃圾味道散發出來，最大程度上降低了垃圾箱對于周邊環境的影響。

第二，智能垃圾箱在衛生程度上要優于傳統的垃圾箱，傳統的垃圾箱存在因為清理不及時，造成垃圾箱內的垃圾腐臭，垃圾箱外的垃圾堆砌污染垃圾箱外壁的情況，而智能垃圾箱則不存在這個情況，因為智能垃圾箱實時處于監控和垃圾箱自身反饋的狀態下，不存在長時間不清理甚至滿溢的情況。

第三，更加的智能化和科學化，智能垃圾箱在自身滿溢或者將要滿溢的時候，會發送相關信息給系統云端，系統的PC管理終端可以及時聯系垃圾箱清理人員清理垃圾箱垃圾，同時也可以在終端看到在線的所有垃圾箱的實時狀況，在智能垃圾箱滿溢反饋之前，提前一步通知垃圾箱清理人員進行清理，整套系統運轉起來，相較于傳統的垃圾箱管理工作而言，充分的體現了智能垃圾箱系統的智能化和科學化。

第四，能夠實現自給自足，智能垃圾箱能量供給上采用的是太陽能電池板和蓄電池組協同作用蓄電供電機制，再加上對整個智能垃圾箱個體而言，用電量不算大，智能垃圾箱自身收集的電量足夠自身使用。

此外智能垃圾箱管理系統在合理的應用下，是可以產生較為客觀的經濟效益的，而智能垃圾箱管理系統產生的經濟效益，足以維持智能垃圾箱管理系統的維護和管理工作正常進行。

1.2 智能垃圾箱管理系統整體結構

智能垃圾箱管理系統共分為兩大部分，分別為智能垃圾箱硬件部分以及軟件部分，智能垃圾箱管理系統整體示意圖如圖1所示，智能垃圾箱管理系統的硬件部分，整體來看，就是安置在城市各個街道的智能化垃圾箱，而一個智能垃圾箱又分別由紅外感應模塊、超聲波探測模塊、火災報警模塊、核心處理模塊、太陽能蓄電模塊、電機驅動模塊構成，智能化垃圾箱六個模塊共同作用，共同完成垃圾箱垃圾深度自動探測，有人靠近自動開蓋，人離去自動關閉，垃圾箱滿溢自動提醒等智能化功能。

在智能垃圾箱管理系統軟件部分系統PC管理終端上，管理人員可以實時的看到城市垃圾箱的各項數據，垃圾箱負載情況如何、是否滿溢或者是將要滿溢、是否出現故障或者火情等等。而當城市垃圾箱出現狀況的時候，系統PC管理終端會收到相應垃圾箱反饋的警報信息，Android客戶端也可接受相關提醒消息，進行下一步處理。

圖1 智能垃圾箱管理系統整體示意圖

智能垃圾箱云端可以大量的存儲相關數據，智能垃圾箱終端管理人員可以根據云端數據庫一段時間內的相關數據，對某條街道或者是某個區域的垃圾箱數量以及垃圾箱清理人員進行調配，例如，同樣時間內，某區域垃圾箱滿溢次數多，可以向該區域多投放垃圾箱并且向該區域增加垃圾箱清理人員，某區域垃圾箱滿溢次數少，可以適當的減少垃圾箱的投放數量，同樣也可以相應的減少垃圾箱清理人員數量。

2 智能垃圾箱管理系統硬件部分相關設計

系統的硬件部分總共可以分為六個模塊，分別為紅外感應模塊、超聲波探測模塊、火災報警模塊、核心處理模塊、太陽能蓄電模塊、電機驅動模塊。

2.1 紅外感應模塊

紅外感應模塊這里選用的是HC-SR501模塊，如圖2所示，主要用于感應是否有人靠近垃圾箱，當有人在探測距離內靠近垃圾箱時，紅外感應模塊傳輸信號給核心處理模塊中的單片機，單片機進行響應，通過驅動芯片（ULN2003）驅動步進電機正轉，完成垃圾箱的開蓋動作，當紅外感應模塊感應到人離開時，同樣傳輸一個信號給單片機，單片機在延時后驅動步進電機倒轉，完成垃圾箱的關閉動作。

2.2 超聲波探測模塊

超聲波探測模塊這里選用了HC-SR04超聲波測距模塊，探頭結構如圖3所示，主要應用于垃圾箱內垃圾高度的測量，超聲波測距傳感器工作原理是由垃圾箱頂端向垃圾箱內發射超聲波，當發出的聲波碰到阻礙垃圾的時候，聲波會反射回來，被超聲波測距傳感器的聲波接收探頭接收，從而實現超聲波測距模塊對于垃圾箱內垃圾高度的實時監測，當垃圾箱內垃圾將滿或者已經滿溢的時候，主動向管理系統PC端發送垃圾箱滿溢消息，以便垃圾箱能夠盡快的被清理，再次投入使用，從而提高垃圾箱使用效率。

圖2 人體紅外感應模塊hc-sr501

圖3 超聲波測距傳感器原理圖

2.3 火災報警模塊

火災報警模塊在智能垃圾箱系統中，屬于預防和保護模塊，在日常垃圾丟棄時，難以避免會有類似于煙頭等可燃物被不小心丟進了垃圾箱，這將會造成垃圾箱內物體燃燒，甚至會燃燒損壞垃圾箱部件，甚至會火勢蔓延引發火災，因此預防是十分必要的，此外，相較于傳統的垃圾箱而言，智能垃圾箱制造成本也相對更高，火焰引起的高溫容易造成垃圾箱零部件的損壞，因此合理的自我保護是十分必要的，火災報警模塊主要由煙霧傳感器和核心處理模塊一部分構成，分別用到煙霧傳感器、單片機以及通信模塊，煙霧傳感器通過通信模塊將火情信號發送給系統PC管理終端，系統PC管理終端將相關情況通知該垃圾箱附近工作人員，工作人員前去滅火救援。

2.4 核心處理模塊和通信模塊

核心處理模塊是整個智能垃圾箱系統硬件部分的核心模塊，是整個垃圾箱的大腦，核心處理模塊功能的實現依靠的是單片機，此處選用的單片機為STC89C52單片機，引腳原理圖如圖4所示，STC89C52單片機對其余各模塊進行管理控制，從而保證垃圾箱具體功能的實現，通信模塊保證智能垃圾箱信息反饋機制正常工作，從而實現智能垃圾箱“聯網”的功能，智能垃圾箱可以通過通信模塊部分，將自身狀況發送給終端，終端根據通信模塊發送過來的信息判斷垃圾箱的實際狀態，實現智能垃圾箱聯網可視化管理。

圖4 STC89C52單片機引腳原理圖

通信模塊對于諸多街道智能垃圾箱的主要應用是ZigBee自組網，ZigBee模塊外接5DB天線的自組網一般最遠的傳輸距離為二百米到二百五十米，而根據調查顯示目前我國街道垃圾箱密度大概為每一百五十米左右一個，因此ZigBee傳輸距離足夠，可以實現城市街道之間垃圾箱的自組網功能，具體示意圖如圖5所示，每一個垃圾箱都是一個ZigBee傳輸節點，可以采用的拓撲結構也靈活多樣，可以采用樹形結構和網狀結構，樹形結構的優勢明顯，每天道路之間垃圾箱組網情況條理清晰，但是壞處也顯而易見，一旦某個垃圾箱節點出現問題，就可能導致樹上的某個分支的垃圾箱全部無法工作，所以多方比較之下，網狀結構更加適合我們垃圾箱組網要求，再加上ZigBee模塊成本低且具備很高的穩定性，同時功耗極低，正適用于城市內街道智能垃圾箱的通信，進行相關信息的傳輸。

圖5 智能垃圾箱ZigBee自組網進行信息傳輸原理圖

2.5 太陽能蓄電模塊

太陽能蓄電模塊主要包括了垃圾箱上覆蓋的太陽能蓄電電池板以及埋藏在整個垃圾箱下方的垃圾箱蓄電池，智能垃圾箱在外界有光且光照情況較強的時候進行蓄電，垃圾箱內的蓄電池用于儲存智能垃圾箱使用不了的電量，以用作沒有陽光的夜晚或者是陰天的情況下智能垃圾箱的供電工作，此外底部的蓄電池箱可以作為對于智能垃圾箱的一個保護裝置，因為蓄電池要比智能垃圾箱埋的更深，同時也比垃圾箱更為沉重，因此可以用做垃圾箱的固定裝置，這樣就能夠在一定程度上保證垃圾箱不被移動，從而一定程度上保證垃圾箱不被破壞，智能垃圾箱外觀設計如圖6所示。

圖6 智能垃圾箱3D外觀圖

2.6 電機驅動模塊

電機驅動模塊，主要采用的是步進電機，而步進電機主要實現的功能則是驅動垃圾箱的開蓋和關閉功能，選擇步進電機主要是因為步進電機自身的優越性，步進電機支持短時間內的驟然轉動和驟然停止，這一特性毫無疑問對于垃圾箱的開蓋十分關鍵，因為垃圾箱使用者投放垃圾時間較短，一般情況下給垃圾箱開蓋的準備時間是從人進入紅外感應模塊探測范圍之內的一到兩秒時間，這種情況下，電機驅動模塊的選擇上，步進電機就顯現出來無比強大的優越性。

3 智能垃圾箱管理系統軟件部分相關設計

系統的軟件設計主要包括了云端、PC管理終端以及Android客戶端三部分。

3.1 云端

云端主要用于采集和存儲來自智能垃圾箱的數據，并提供WEB網站服務，以供PC管理端通過網頁形式訪問智能垃圾箱相關數據。此處云端數據庫使用的是華為云數據庫，以便于系統PC管理終端隨時對歷史相關數據進行調取分析。此處使用的網站使用ASP.NET開發，使用IIS進行發布，如圖7所示。

圖7 云端IIS設置

具體使用場景有，系統PC管理終端可以調取云端數據庫內數據，對垃圾箱的投放狀況進行分析，智能垃圾箱容易滿溢的地方，多投放一些垃圾箱，多調配一些垃圾箱清理人員，不容易滿溢的地方，則相應的減少智能垃圾箱的投放，少分配垃圾箱清理人員，從而避免資源浪費；另外足夠長時間內，某區域垃圾箱滿溢次數多的情況下，將意味著該區域人流或者人居住密度較大，可以分析出更多的問題來，或可產生可觀的經濟效益；另外可以根據長期數據，分析垃圾箱的故障率，故障率較高區域進行重點監管，了解高故障率實情，從而保證智能垃圾箱的正常運行。

3.2 PC管理終端

PC管理終端主要實現的功能是對于所有“聯網”智能垃圾箱總體的管理，系統正常工作期間，系統PC管理終端將從云端接收智能垃圾箱反饋的信息，反饋的信息一般分為兩類，第一類是垃圾箱的滿溢的信號，當PC管理終端收到這個信號的時候，會通過云端給系統Android客戶端發送信息，通知垃圾箱清理人員前去清理垃圾箱，第二類則為報警信號，一般為某個垃圾箱因為未知原因出現狀況，例如火情警報，這種情況下燃燒的煙霧會導致智能垃圾箱報警，當系統PC管理終端收到垃圾箱火情報警的信號的時候，立即通知垃圾箱就近的垃圾箱清理人員前去撲滅可燃物，及時滅火止損，系統PC管理終端模擬構造圖如圖8所示。

圖8 系統PC管理終端模擬構造圖

另外就是智能垃圾箱管理系統PC端管理員可以通過系統PC管理終端查看整個城市的垃圾箱的狀態，除了可以由垃圾箱自身監測滿溢之外，系統PC管理終端管理人員還可以通過人為的方式，對垃圾箱的狀態進行管理，監測垃圾箱狀態，及時的對垃圾箱清理人員進行調度，另外因為垃圾箱采用的是ZigBee自組網的方式傳輸信息的，那么當某個垃圾箱部分功能喪失的時候，就可能出現自組網某個節點的故障，信息無法進行傳輸，可能是某個垃圾箱長時間未發送信息，也可能是垃圾箱電池報廢，智能垃圾箱直接“掉線”，這在系統PC管理終端都可以看的出來，從而實現對于城市智能垃圾箱的科學化的管理。

在整個過程中，智能垃圾箱的相關信息，都會傳到系統的云端數據庫，云端數據庫將相關的數據進行存儲，以便于PC管理終端后期的管理監控。

3.3 Android客戶端

Android端實現的主要功能分別為通知和查看功能，通知功能為接收云端信息，對于自己負責的智能垃圾箱進行滿溢清理以及滅火等突發狀況的處理。

通知功能顯示為文字形式，具體如圖9所示，但是考慮到目前垃圾箱清理人員組成結構較為復雜，有較為年輕的從業者同時也有年紀較大的從業者，Android客戶端根據使用者的認證進行識別，年輕從業者和老年從業者可以選擇文字和語音播報形式接收通知，但是高齡從業者默認開通手機息屏狀態下語音播報功能，從而起到及時提醒的作用。

圖9 系統Android客戶端模擬構造圖

查看功能則是實現了用戶在Android客戶端可以人為的查看自己負責的區域內的垃圾箱的狀態，提醒界面圖形化、百分比化、數字化，使用者可以在一個地方，查看自己整片負責區域內垃圾桶狀況，實現個人終端管理，更加便捷的同時也避免了體力浪費。

4 結語

隨著近些年來智能科技的高速發展，智能化的生活和智能化的城市建設，將成為未來智能化中國建設的重要一環，而如今面臨的傳統垃圾箱的各種問題，利用智能化的手段去解決這個問題，是一種迎合時代發展要求的做法，智能垃圾箱管理系統，智能硬件部分解決了傳統垃圾箱的諸多弊病，軟件部分實現了當今大數據時代要求的數據化以及可視化管理，使垃圾箱管理更加條理、更加方便、同時也更加智能化，適應了人民的真實需求，本文基于物聯網的智能垃圾箱設計主要是提供了一種能夠解決問題，并且適應當下需求的可行性設計。

而在解決了城市街道傳統垃圾箱諸多弊端的同時，基于物聯網的智能垃圾箱管理系統在某種意義上來講也可以帶來相當可觀的經濟效益，除了應用于城市街道之外，智能垃圾箱管理系統同樣可以應用于住宅樓社區、或者向城鄉結合區域進行推廣，應用于住宅小區主要是對接物業，收取智能垃圾箱系統使用費用以及后期的維護費用，而對接城鄉結合部分或者是下鄉，智能垃圾箱管理系統的出售或者是落實者，將需要提供相應服務或更多的增值服務，因此智能垃圾箱可以創造的效益無論是潛在的還是深層次的利益都無比巨大的，前景光明。