基于物聯網的智能垃圾桶

（三峽大學 計算機與信息學院，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

當下，互聯網、物聯網、數據信息處理技術的理論研究逐漸成熟，通過傳感器收集有用的數據信息，將數據發送到云端進行存儲，并與先進的技術相結合進行分析和處理，以獲得準確的問題處理方法已經成熟并被廣泛使用，其為人們的生活提供了準確，高效的操作指南。然而城市垃圾箱中運用到物聯網技術的卻很少。基于此，本文提出一種基于IoT的智能互聯的垃圾桶（SGS）系統，并通過物聯網與其他SGS以及終端聯系起來。

1 基于物聯網的智能垃圾桶

本文設計的智能垃圾桶監控系統基于物聯網平臺。垃圾桶內的感知器通過WiFi將數據上傳到云平臺，然后云平臺會對數據進行處理并推送至移動終端。衛生部門通過服務器獲取垃圾箱信息，并及時回收垃圾。系統功能結構如圖1所示。

圖1 組成結構及功能

2 功能設計

2.1 終端設計

智能垃圾桶終端設計如圖2所示。

圖2 終端運行流程示意

智能垃圾桶終端功能模塊介紹如下：

（1）超聲波測距模塊。首先開發板會發出高電平信號，接收到信號的傳感器會發出超聲波，此時接收端口變為高，同時計時器計時來計算距離。超聲波遇到了障礙物后，再原路反回被接收端接受到，此時接收端口變為低。最后利用之前高低電平記錄的時間來計算距離。

（2）氣體傳感模塊。氣體傳感器采用二氧化錫作為檢測環境氣體的氣敏材料，原因是二氧化錫的電導率在干凈的空氣中較低。傳感器所處環境中存在有害氣體時，傳感器的電導率會根據有害氣體濃度增大而增大。

（3）溫濕度傳感模塊。本文選用DHT11傳感器。DHT11是一種二合一傳感器，可以將溫度和濕度復合測得的數據自校準，然后通過數字信號輸出并與高性能的8位單片機相連，其使用單總線和單片機進行雙向串行數據傳輸信號，穩定性好。

（4）WiFi數據傳輸模塊。本設計中數據傳輸由IoT芯片進行控制。IoT芯片可以在多種模式下工作，即：AP模式，站模式和混合模式。站點模式主要是去連接其他的路由。站模式相當于一個路由器，只能讓其他的設備連接自身，而混合模式就是將兩者綜合使用。

2.2 云端

云端主要負責數據的分析和存儲，其通過OneNET平臺進行收發信息。

2.3 移動端

移動端主要通過微信小程序實現系統的各種模塊功能。微信小程序從OneNET獲取垃圾桶上傳的數據，并將數據展示出來。在設計移動端時需要MINA框架的UI設計、OneNET以及微信官方和地圖供應商提供的API接口。其中，數據都存儲在OneNET中，終端通過OneNET將信息傳到云端，云端進行分析以及儲存，并規劃好最優路線，然后通知工作人員及時處理。本文設計的微信小程序界面如圖3所示。

圖3 微信小程序界面

3 基于RFID的垃圾收集系統與基于IoT的智能互聯的垃圾桶（SGS）系統

3.1 基于RFID的垃圾桶面臨的問題

在基于RFID的垃圾收集系統中，RFID收集箱包括通信模塊、RFID標簽模塊、自動垃圾入口以及用于測量容器重量的秤功能。使用該系統時，清潔工不知道哪些垃圾桶有垃圾，而垃圾桶需要及時處理，因此有必需清潔每個垃圾桶。這樣通常會增加無用的工作量，并浪費人力和物力；而且，在人們投放垃圾時，垃圾桶對于桶內的垃圾信息的傳輸常常會產生一定時延，導致無法及時對垃圾桶內的垃圾進行清理。針對這些問題，本文提出了一種基于IoT的SGS系統。

3.2 架構概述

SGS的體系結構如圖4所示。由圖4可知，安裝在公寓樓和個人住宅附近的SGB彼此交換信息，將信息發送到服務器。結構上講，SGS系統分為兩個域：管理域和服務域。

圖4 SGS架構示意圖

3.2.1 管理域

在管理域中，需要收集已注冊的居民信息、付款信息和狀態信息，為此，使用了智能垃圾維護服務器、用戶管理服務器和支付管理服務器三臺服務器。用戶管理服務器負責管理食物垃圾排放信息和個人信息。支付管理服務器根據居民卡公司的食物垃圾重量執行付款過程。當居民使用RFID卡排放食物垃圾時，將其在RFID卡上注冊的個人卡信息傳輸到支付管理服務器，然后支付管理服務器請求公司處理付款。因此，如果在分析狀態信息時在SGB中檢測到故障，則會派遣管理員檢查問題。并且智能垃圾維護服務器會引導居民使用附近的SGB。

3.2.2 服務域

服務域是居民丟棄垃圾的地方。當居民的RFID卡觸摸SGB的RFID讀取器時，SGB會對居民進行身份驗證并打開蓋子。居民將食物垃圾扔掉，由SGB測量重量。SGB將收集的有關居民及食物垃圾重量的信息發送到管理域。根據收集到的信息，垃圾收集器從SGB收集食物垃圾。圖2表明位于服務域中的SGB的網絡拓撲中。因此，即使同一居民使用不同的垃圾箱，也可以保證服務的連續性。此外，為了網絡可靠性，如果HSGB中發生通信問題，則會將標頭權限委派給同一區域內最合適的SGB。

3.3 系統工作過程

綜上所述，本文提出的系統使用新的排放過程來最小化由支付和數據傳輸引起的延遲。在傳統基于RFID的垃圾收集系統中，RFID卡需兩次接觸到垃圾箱。第一次接觸用于居民身份驗證，第二次接觸用于付款。因為在付款之前需要在垃圾箱和服務器之間進行數據傳輸。在本文系統中，通過將RFID卡與SGB接觸一次來進行食物垃圾處理和支付過程，減少了過程延遲。在居民身份驗證和稱重之后，RFID卡的余額將服務器接收到的付款數據和食物垃圾的當前重量顯示在SGB的LCD屏上，排放過程結束。本文系統工作流程如圖5所示。

圖5 系統工作流程

4 軟件設計

本文系統的軟件設計主要包括微信小程序和開發板的Arduino程序。其中Arduino程序包含超聲波測距模塊、氣體傳感模塊、溫濕度傳感模塊、WiFi數據傳輸模塊的相關程序等。

5 結 語

本文提出一種基于IoT的智能互聯的垃圾桶（SGS）系統，并完成了系統的軟硬件設計。硬件部分包括數據采集端的傳感器和作為核心控制的開發板；軟件部分有展示控制的微信小程序和開發板的Arduino程序。實驗結果表明，與傳統基于RFID的垃圾收集系統相比，本文系統更加智能，其通過云端、終端、PC或手機端控制垃圾桶，垃圾桶本身可以感知自己目前的容量情況，再向上一級反映，使垃圾桶的清理更加便捷，節省了人力、物力。