便于智能化管理的公共垃圾桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳偉烈，劉如軍

（嶺南師范學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，廣東 湛江 524048）

0 引 言

垃圾的處理問題已經(jīng)成為全球性問題。隨著人工智能技術(shù)的成熟以及人們生活水平的提高，人們也愈發(fā)追求智能化的生活。智能家居、智慧城市發(fā)展迅速，而垃圾桶作為生活中不可缺少的工具之一，并未隨著智慧城市的發(fā)展而得到快速改進(jìn)，很多公眾場所仍然使用著傳統(tǒng)的大型垃圾桶。傳統(tǒng)垃圾桶露天放置，裝滿后若不及時(shí)清理，容易散發(fā)異味和滋生細(xì)菌，甚至污染環(huán)境。目前，市面上出現(xiàn)的智能垃圾桶，如自動(dòng)翻蓋垃圾桶、踢碰感應(yīng)垃圾桶、自動(dòng)報(bào)滿垃圾桶，它們功能單一、價(jià)格昂貴，而且適用范圍小，大多只滿足于家用。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于智能化管理的公用垃圾桶。該智能垃圾桶以Arduino作為主控，結(jié)合一系列傳感器感知垃圾桶的狀態(tài)信息，通過ESP8266模塊將狀態(tài)信息及時(shí)上傳到服務(wù)器，環(huán)保部門可以通過微信小程序?qū)崟r(shí)查看垃圾桶的信息，若垃圾桶裝滿而產(chǎn)生溢出或桶內(nèi)溫度過高、桶內(nèi)起火等情況則自動(dòng)報(bào)警。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)主要具有定位、自動(dòng)開蓋、語音提示、判斷垃圾桶是否裝滿等功能。單片機(jī)通過ESP8266模塊將垃圾桶的編號、狀態(tài)等信息與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，微信小程序獲取服務(wù)器的數(shù)據(jù)后在用戶端顯示狀態(tài)信息。用戶或環(huán)衛(wèi)部門可以通過訪問微信小程序得知垃圾桶狀態(tài)，并且可以統(tǒng)籌規(guī)劃特定區(qū)域內(nèi)垃圾桶的擺放。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要以Arduino單片機(jī)作為主控，系統(tǒng)整體框架如圖2所示，主要由太陽能充電模塊、紅外檢測模塊、通信模塊、高度檢測模塊、溫度檢測模塊、語音播放模塊等組成。

圖2 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)以單片機(jī)微處理器為主控芯片，結(jié)合人體紅外傳感器和機(jī)械電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)垃圾桶蓋自動(dòng)開啟。利用桶內(nèi)置溫度傳感器和桶蓋上超聲波模塊檢測垃圾桶的狀況，若超過預(yù)定的閾值時(shí)，垃圾桶自動(dòng)開啟功能失效并觸發(fā)報(bào)警功能。通信模塊定時(shí)將垃圾桶的狀態(tài)信息上傳到服務(wù)器，顯示模塊顯示垃圾桶內(nèi)溫度及內(nèi)部空間情況。用戶可以通過微信小程序查看垃圾桶的狀態(tài)信息。當(dāng)智能垃圾桶內(nèi)置鋰電池電壓不足時(shí)，太陽能電池板自動(dòng)對鋰電池進(jìn)行充電，滿足垃圾桶的用電需求。

2.1 自動(dòng)開蓋系統(tǒng)

垃圾桶的自動(dòng)開蓋系統(tǒng)是由人體感應(yīng)模塊、超聲波模塊以及電機(jī)組成的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過超聲波高度檢測模塊檢測垃圾桶內(nèi)部的空間，當(dāng)桶內(nèi)空間充足，單片機(jī)獲取人體感應(yīng)模塊返回的信號為高電平時(shí)，控制繼電器帶動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開蓋。若單片機(jī)獲取安裝在垃圾桶內(nèi)部邊沿的紅外接收器返回信號為低電平時(shí)，說明垃圾已正確投放，控制繼電器帶動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)合蓋；若檢測不到紅外接收器返回的低電平，則延時(shí)一定的時(shí)間后，進(jìn)行合蓋操作。當(dāng)內(nèi)部空間不足時(shí)，不進(jìn)行任何自動(dòng)開蓋操作，同時(shí)短信通知用戶及時(shí)清空垃圾桶。自動(dòng)開蓋系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)開蓋系統(tǒng)工作流程

2.2 語音播放模塊

本系統(tǒng)的語音播放模塊采用集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片WT588D，可通過配套軟件WT588D voiceChip實(shí)現(xiàn)語音組合播放、插入音樂等功能，設(shè)計(jì)時(shí)通過拉高WT588D的I/O口進(jìn)行初始化，根據(jù)需要拉低某一引腳即可播放相對應(yīng)的語音。語音播放流程如圖4所示。

圖4 語音播放流程

2.3 定位

本設(shè)計(jì)采用ATGM332D北斗和GPS雙模定位模塊，該模塊具有成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，通過模塊輸出的數(shù)據(jù)可以獲取北京時(shí)間、經(jīng)緯度、海拔高度、速度和航向等常用的基本信息，還可以獲取當(dāng)前的定位質(zhì)量和定位模式、連接的GPS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量和北斗系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量。圖5為定位模塊與單片機(jī)引腳連接圖。

圖5 定位模塊接線圖

當(dāng)在室外公共場所進(jìn)行定位時(shí)，大概需要1 min左右的時(shí)間便可以獲取垃圾桶所在位置數(shù)據(jù)；根據(jù)分析返回的數(shù)據(jù)幀獲取當(dāng)前的經(jīng)緯度信息，通過通信模塊將經(jīng)緯度信息上傳到服務(wù)器；微信小程序利用騰訊地圖的逆地址解析，在地圖上標(biāo)志當(dāng)前的位置信息。定位效果和當(dāng)前位置效果如圖6所示。

圖6 定位垃圾桶及使用者當(dāng)前位置

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)初始化后播放開機(jī)語音，并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和定位。當(dāng)溫度正常、內(nèi)部空間足夠時(shí)，若有人靠近，執(zhí)行自動(dòng)開蓋功能和語音播放功能；若溫度過高或者內(nèi)部空間不夠，則不開蓋并執(zhí)行相對應(yīng)的報(bào)警功能。系統(tǒng)定時(shí)上傳智能垃圾桶內(nèi)溫度、內(nèi)部空間情況以及定位信息到服務(wù)器。軟件系統(tǒng)流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程

3.2 APP設(shè)計(jì)

利用巴法云發(fā)布訂閱模式設(shè)置好主題，通過ESP8266模塊向設(shè)置好的主題發(fā)送消息，已訂閱該主題的微信小程序會(huì)實(shí)時(shí)收到信息，顯示出智能垃圾桶的狀態(tài)信息。微信小程序的界面如圖8所示。

圖8 微信小程序的主界面

4 結(jié) 語

本文基于傳統(tǒng)公共垃圾桶的使用現(xiàn)狀，提出了一種基于SIM800C的公共智能垃圾桶的設(shè)計(jì)方案，對其軟件和硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作和調(diào)試。

測試結(jié)果表明，該垃圾桶具有語音播放、自動(dòng)開蓋、裝滿報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，功能多樣、定位準(zhǔn)確，有利于對公共垃圾桶的智能化管理和環(huán)境衛(wèi)生治理。

計(jì)劃下一步在實(shí)現(xiàn)垃圾分類、對可回收垃圾進(jìn)行有效處理等方面做更深入的研究。