一種垃圾箱容量監測系統的設計

王楠，段學習，孫玉軍

（滄州職業技術學院，河北滄州，061000）

0 引言

目前，在垃圾箱的使用、清理和監管等環節，主要存在以下幾點問題：一、某些區域用戶或路人需要扔垃圾，但看到垃圾箱已滿后，不能找到附近較空較近的垃圾箱，在這種情況下可能會亂扔垃圾。這樣不僅會污染周邊環境，也增加了清潔人員的打掃負擔；二、對于垃圾數量較少的垃圾箱與垃圾數量較多甚至常常滿溢的垃圾箱，清潔人員的清理頻率相差無幾，導致清理工作頻率高、負擔重但是效果卻不佳；三、衛生監管部門無法知道整個城市或區域內的垃圾分布量多少的信息，導致垃圾箱布局規劃的不合理甚至造成資源浪費。

本設計中的垃圾箱基于物聯網技術和嵌入式技術，利用單片機為主控芯片，可以實現實時地監測垃圾箱體內剩余垃圾容量并上傳后臺數據中心，由數據中心統一調度，對于區域用戶或路人扔垃圾可以就近提醒較空垃圾箱的位置信息，對于垃圾箱清理不及時的情況實時報警、督促清理人員及時打掃，對于垃圾箱布局不合理及時上傳數據、衛生監管部門及時調整垃圾箱布局等功能。因此，與傳統的垃圾箱相比，該垃圾箱更節能環保，減少了區域用戶或路人亂扔垃圾的現象，降低了清潔人員的人力成本，提高了垃圾箱的使用效率，可廣泛應用于城市街道、社區公園、旅游景區等場所，具有很大的市場前景[1-4]。

1 系統整體設計方案

該垃圾箱由單片機STM32系統、容量檢測模塊、容量顯示輸出模塊、物聯網模塊、按鈕模塊、時鐘模塊、紅外感應模塊、電源模塊構成。系統的整體設計方案如圖1所示。

圖1 系統整體設計方案

2 系統硬件

■2.1 控制核心模塊——單片機STM32F103C8T6

本設計采用32位單片機STM32F103C8T6作為系統的控制核心，其內核為ARM Cortex-M3，工作頻率最高為72MHz，工作電壓為2～3.6V，有64KB的閃存，20KB的SRAM，37個I/O口，16個與通用端口GPIO映射的外部中斷EXTI，1個16位高級控制定時器，3個16位通用定時器，3個USART串口通信模塊等，具有運行速度快、處理能力強、外設接口豐富、價格低廉等特點，專門應用于低功耗、對性能要求較高以及成本要求較低的的場合。

■2.2 電源模塊——太陽能電池板結合12V蓄電池

本設計選用了太陽能電池板與12V蓄電池結合的方式為整個系統供電。晴天的時候太陽能電池板可自行充電并給系統供電，晚上或陰天的時候可通過蓄電池自給供電。太陽能電池板位于整個垃圾箱體的頂部，以便更好地接受太陽光并加以充電,將轉化后的電能存入12V蓄電池中供整個系統使用?？紤]到12V蓄電池的重量，為了降低垃圾箱體的重心，提高垃圾箱體的穩固性，避免大風刮倒垃圾桶造成垃圾箱內部精密元器件的損壞，本設計將12V蓄電池放置在垃圾箱體的最下方位置。

■2.3 容量檢測模塊——超聲波測距傳感器HC-SR04

垃圾箱內垃圾剩余容量的空間可通過超聲波測距計算得到。超聲波測距是一種檢測迅速、計算簡單、方便低廉的非接觸式檢測技術，不會受光線、顏色等因素影響，即使惡劣的環境 (如含粉塵) 也有一定的適應能力。本設計采用超聲波測距傳感器HC-SR04對垃圾桶內的剩余空間進行測量。超聲波測距傳感器HC-SR04提供脈沖信號，超聲波發射器即可發出超聲波信號，超聲波信號遇到垃圾箱內的垃圾即反射回來，被超聲波接收器接收。再根據發送與接收到的超聲波時間差，即可計算出垃圾箱內垃圾的剩余空間。

■2.4 容量顯示輸出模塊——LED燈條WS2812B-8

垃圾箱內垃圾的容量顯示輸出模塊采用LED燈條WS2812B-8，根據燈條上亮燈的個數，可以讀取到垃圾箱內垃圾容量的多少。其由晶元5050型RGB 貼片燈珠組成，燈珠內置WS2812B-8貼裝于FPCB(柔性線路板)上，耐折易彎曲，可以用3M膠紙或者卡扣螺絲固定。遇到雨雪天氣，防水等級可達到IP68。采用低電壓直流供電安全方便，成本低廉，更換方便。具有多種發光顏色，夜晚色彩絢麗。

■2.5 物聯網模塊

本設計基于物聯網通訊技術（NB-IoT），結合3G/4G網絡開發數據采集、監測調控等應用的垃圾處理設備。在垃圾箱裝滿了以后，能夠告知路人附近較近較空的垃圾箱的位置信息；清潔人員只需根據手持的無線終端上的信息，對相應的垃圾箱進行清理；衛生監管部門可以從終端機中獲取整個城市或區域的垃圾分布信息，對垃圾箱的分布根據實際需求進行調整。

■2.6 紅外感應模塊

本設計系統利用紅外傳感器和步進電動機聯合工作完成。在垃圾箱的正面以及側面安裝紅外傳感器。當紅外傳感器檢測到人與垃圾箱之間的距離小于預設距離時, 紅外傳感器將檢測到的信號發送給單片機，以控制步進電機的轉動，從而實現垃圾箱自動開關蓋的功能，在沒有感應的時間內，垃圾箱一直處于關閉狀態。這樣也防止了垃圾箱內惡臭氣味外泄以及避免人與垃圾直接接觸[2]。

3 系統軟件

■3.1 單片機主程序

單片機采用C語言進行編程，系統軟件可分為主程序和各模塊子程序。最重要的模塊子程序就是檢測垃圾箱體容量，進而顯示輸出并報警的過程。其系統流程框圖如圖2所示。

圖2 垃圾箱容量檢測程序

■3.2 物聯網系統

物聯網系統實時更新監控數據，其中主要包括了垃圾處理、環境監測數據、實時監控、異常狀態查詢、統計報表查詢等功能模塊。用戶在點擊垃圾處理按鈕以后，進入到處理中心界面，界面就會出現垃圾處理的詳細信息。用戶在點擊環境監測數據按鈕以后，進入到環境監測數據界面，界面就會出現環境監測數據的詳細信息。用戶在點擊實時監控按鈕以后，進入到實時監控界面，界面就會出現實時監控的詳細信息。實時監控界面其中主要包括了時間選擇、站點選擇、監控畫面等信息。如圖3實時監控界面所示。點擊相應的按鈕，可對時間、區域、報警信息、視頻、記錄進行選擇設置或選擇查看。

圖3 實時監控界面

4 總結

本設計充分體現了節能環保的要求，解決了部分投放者不想多走路亂扔垃圾的問題，幫助了清潔人員及時掃打的問題，對于衛生監管合理布局垃圾箱提供借鑒。同時利用物聯網技術，依據衛生部門后臺統計積累的數據，通過分析區域用戶或路人垃圾傾倒的習慣，制定清潔人員垃圾打掃的策略，調整衛生調度部門各區域垃圾箱的預置存放位置，有效解決環衛部門的工作壓力，提升了清潔人員和調度人員的工作效率，為智慧城市的發展做出貢獻，這也符合我國環境保護可持續發展的目標要求[5]。