基于Arduino 的智能綠色垃圾桶的設計

張博 馬曉元 楊維 耿放

河北軌道運輸職業技術學院，河北石家莊 052165

0 前言

1 基本思路和設計方案

基于“不接觸即可打開垃圾桶蓋”和“綠色、環保、再利用”兩大目標，設計的智能垃圾桶主要實現超聲波、紅外人體檢測，手機端App 遙控，伺服電機控制，環境溫濕度檢測等功能。充分回收使用家庭快遞包裝盒作為垃圾箱垃圾盛裝部分，利用票夾、廢舊吸管可快速將伺服電機同垃圾桶蓋和桶體組合在一起，垃圾裝滿后可快速換裝新的桶體和桶蓋，實現家用廢舊物品再利用的目的。圖1 是按照設計思路制作的一個智能綠色垃圾桶樣圖。

所設計的智能綠色垃圾桶的主控制器是Arduino[1]，這是一款起源于意大利的開源電子設計平臺。Arduino 可以驅動多種傳感器件感知周圍環境，通過Arduino 編程語言，即Arduino IDE 實現對設備的控制。

當使用者移動到距離垃圾桶感應端40 cm 以內范圍后，垃圾桶自動打開，延時3 s 后自動閉合。為提升垃圾桶的服務質量，使用者可以通過手機遙控垃圾桶打開，同時會觸發手機端App，收到溫度濕度數據。

工作模式一：智能綠色垃圾桶主控制模塊為Arduino，超聲波傳感器和紅外人體感應模塊共同作用，檢測到有物體移動到垃圾桶上方一定距離內（設定為40 cm）后，向Arduino 控制模塊發送感應信號，Arduino 控制模塊觸發伺服電機動作打開垃圾桶蓋，延遲一定時間后（參考值3 s），垃圾桶蓋自動關閉；

工作模式二：智能綠色垃圾桶主控制模塊為Arduino，設計手機端控制軟件，利用藍牙模塊實現手機和Arduino 的無線通信，手機端軟件可以遙控垃圾桶打開，同時通過安裝的溫濕度傳感器實測環境中的溫度、濕度數據發給手機端，方便使用者操作。

智能綠色垃圾桶工作流程圖如圖2 所示。本次設計的智能綠色垃圾桶硬件組成及各模塊之間的關系如圖3 所示。

2 傳感器選用和硬件組合設計

為實現智能綠色垃圾桶的功能，選用如圖4所述型號的Arduino UNO 控制模塊和傳感器件，并對設備進行組裝、連線。

在揚中市智慧城市建設中，建設主體除了政府和市場以外應當還有另一個新的建設主體——揚中市民。市民是智慧城市應用領域的主要體驗者，中國城市規劃設計研究院徐輝教授曾指出：當前的城市建設要以讓人民群眾享受到城市化的便利為導向，市民決定著城市建設的依據和動力［6］。因此建設過程中應充分發揮揚中市人民群眾的智慧，集民智聚民心，真正解決人民問題。

（1）Arduino 開發板[1]，型號為Uno R3。Arduino 主控制模塊，運行電壓：5 V；數字I/O端子：13 個；輸出電壓：3.3 V/5 V。

Arduino 通過加裝的各式傳感器件感知外界環境狀態，通過控制舵機、LED 燈、開關等裝置影響環境。可以使用Arduino 編程語言編寫程序，并將編譯好的二進制代碼文件通過USB 接口燒錄到微型控制器內，上述過程操作起來非常方便靈活。

（2）使用RUS-04 超聲波傳感器和HW-201 紅外人體感應傳感器冗余配置，提高對人體感應的準確性和可靠性。設置超聲波傳感器的有效觸發距離在2～ 40 cm 之間，為防止側向物體干擾，感應角度要縮小，通過實踐證明，設置感應角度小于15°可以滿足需求。

智能綠色垃圾桶通過超聲波模塊感應物體靠近[2]，超聲波模塊分為發射器和接收器。發射器向外發射超聲波，同時內部計時器開始計時，超聲波在傳播過程中碰到障礙物阻擋會被反射，被反射回的超聲波會有部分被接收器捕捉到，計時器會立即停止計時。工程實踐證明，在空氣中，超聲波速度大約為340 m/s，根據計時器兩次計時時間差值，可計算出超聲波發射點距離反射點的距離S。

其中，S——距離；

V——超聲波在空氣中傳播速度；

t——計時器兩次計時時間差值。

RUS-04 超聲波模塊[3]如圖5 所示，有4 個引腳，分別是 Vcc（供電端）、Trig（觸發端）、Echo（回波端）、GND（接地端）。觸發端是測距引腳，Trig 引腳檢測到時長10 μs 以上高電平信號后，觸發發送模塊，送出8 個40 kHz 脈沖信號，同時接收模塊開始檢測回波信號。一旦感應到回撥信號，Echo 引腳輸出高電平，高電平持續時間就是超聲波從發射端發射出去到接收端接收的時間。根據以上原理，可以使用函數pulseIn()獲得距離測量的結果，并計算實際距離，程序示例如下：

distance=pulseIn(SignalPin,HIGH)/58.00

紅外避障模塊HW-20 如圖6 所示，配置有紅外發射管和紅外接收管。發射管發出固定頻率的紅外線，在空氣中傳播的紅外線受物體阻擋并反射后被接收管接收，經過電路內置比較器電路處理后輸出低電平信號，可通過此信號計算出物體距離發送端距離。

為提高垃圾桶感應的有效性和可靠性，綜合采用這兩個模塊進行冗余配置，在軟件控制部分，Arduino 主控制器對RUS-04 超聲波模塊和HW-20 紅外避障模塊的信號輸入進行“與”邏輯運算。

（3）使用如圖7 所述SG-90 伺服電機，將SG-90 伺服電機的殼體固定在垃圾桶垂直側面頂部，將垃圾桶蓋固定在SG-90 伺服電機的旋轉端子上以控制垃圾桶箱蓋的開合。SG-90 伺服電機性能指標如下，重量9 g；無負載速度0.002 s/°(4.8 V) ；旋轉扭矩1.2～1.4 kg/cm(4.8 V)。

SG-90 舵機需使用20 ms 時基脈沖進行控制，時基脈沖的高電平部分在0.5～2.5 ms 范圍內。如果伺服電機的動作角度是180°，則高電平脈沖持續時長同伺服電機動作角度的關系如表1 所示。這種伺服電機控制方法稱為脈沖調制，脈沖持續時長決定了轉向器的旋轉角度。表1 所舉例子只是幾個特殊角度，控制高電平持續時間可以使舵機保持角度在0°～180°范圍內任一角度。控制系統發出脈沖信號將轉向器移動并固定在某一位置后，轉向器角度將始終保持不變，直至控制系統發出下一脈沖信號。

表1 高電平脈沖持續時長同伺服電機動作角度關系

（4）通過使用如圖8 所述JDY-16 藍牙模塊[4]，在手機和垃圾桶之間建立起無線通信，實現數據的雙向傳遞。JDY-16 透傳模塊是基于藍牙4.2 協議標準，工作頻段為2.4 GHz 范圍，調制方式為高斯頻移鍵控（GFSK），理論最大通信距離80 m，支持用戶通過AT 命令修改設備名、服務UUID、發射功率、配對密碼等指令，方便快捷，使用靈活。JDY-16 藍牙模塊性能指標如下，有效通信距離：80 m；藍牙版本：4.2；工作溫度：-40～80 ℃；通信速率：8 kBytes/s；工作電壓：1.8～3.3 V。

（5）配置如圖9 所述DHT-11 溫度濕度傳感器，增加智能垃圾桶服務內容。DHT11 數字溫濕度傳感器是一種性能穩定，被廣泛使用的溫度濕度復合傳感器。傳感器內部有電阻式濕度感應元件和一個NTC 溫度感應元件。DHT11 具有測溫、測濕數據響應快，校準溫濕度數據抗干擾能力強等優點。

（6）開發手機端控制軟件，可以遙控垃圾桶。手機端采用AI2 制作安卓應用程序，AI2 是一個可視化的安卓應用制作平臺[5]。如圖10 所示，用戶使用瀏覽器打開 AI2 平臺網站，通過拖拽組件完成界面設計，通過編寫程序實現邏輯功能塊，完成安卓應用的制作并下載到手機，手機端App 操作界面如圖11 所示。

各組成模塊間的關系見圖12 設備硬件連接示意圖，供電模塊為Arduino 提供工作電能，其他設備通過Arduino 上的供電端口獲取電能。設備正常工作時，假若有移動的物體靠近感應端，超聲波傳感器和紅外避障模塊綜合判斷并將判斷結果發送給Arduino控制板，Arduino 控制板發送動作命令給伺服電機，伺服電機帶動垃圾桶蓋打開，3 秒后自動關閉。如果手機端App 打開并同藍牙通信模塊建立通信，可以通過手機App 發送打開信號給藍牙模塊，藍牙模塊將收到的信號通過串口傳輸給Arduino控制板，Arduino 控制板控制伺服電機動作打開垃圾桶蓋，同時，Arduino 控制板采集溫度、濕度傳感器的溫濕度數據并通過串口和藍牙通信模塊發送到手機端。

3 智能綠色垃圾桶軟件邏輯實現

Arduino 平臺使用C/C++語言編寫程序，所謂的Arduino 語言是由底層單片機支持庫進行二次封裝后形成的，是Arduino 核心庫文件提供的各種應用程序編程接口（API）的集合。

智能綠色垃圾桶軟件邏輯流程圖如圖13 所示。一個程序流程開始后，第一步進行數據初始化，首先判斷串口緩存區是否有數據：如果有數據，則說明當前是在手機App 控制模式，進一步判斷當前接收到的是“OPEN”打開指令還是“CLOSE”關閉指令，根據指令不同輸出驅動伺服電機打開或者關閉垃圾桶蓋子；如果串口緩存區沒有數據，說明當前是垃圾桶自動感應模式，將超聲波傳感器和紅外避障模塊測量是否有物體靠近的結果取“與”運算，綜合判斷物體靠近與否，如果確有物體靠近，則驅動伺服電機打開蓋子，延遲3 s 后驅動伺服電機關閉蓋子。

4 總結

通過在Arduino 平臺的硬件連接和軟件設計，實現了兩種工況下垃圾桶的控制。第一種工況是普通模式，垃圾桶通過超聲波傳感器和紅外傳感器感應物體靠近或離開后，自動打開和關閉蓋子；第二種工況是遙控模式，使用手機遙控垃圾桶打開和關閉，在App Inventor 2 平臺編寫手機端控制軟件（App），通過藍牙模塊建立手機和垃圾桶間通信。下一步計劃加裝垃圾桶運動模塊，實現垃圾桶自動避障，手機端遙控垃圾桶運動等功能。