智能垃圾設備監(jiān)測系統(tǒng)

朱效恒，禹素萍，許武軍，范 紅

（東華大學信息科學與技術學院，上海 201620）

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)的云計算、云存儲、數(shù)據(jù)庫等技術極大促進了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術的發(fā)展，智能垃圾監(jiān)測系統(tǒng)得到開發(fā)及應用。Aazam 等提出一種基于云的智能垃圾管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)垃圾箱內(nèi)嵌有傳感器，可以監(jiān)視垃圾箱內(nèi)部信息，將垃圾箱數(shù)據(jù)傳到云端；Babyc 等提出一種智能垃圾報警系統(tǒng)，使用“機器學習”概念收集特定區(qū)域垃圾生成數(shù)據(jù)，對產(chǎn)生的垃圾量進行預測；Minhaz 等提出一種基于智能物聯(lián)網(wǎng)的集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino 作為控制器，傳感器用于識別和測量垃圾數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)測垃圾桶數(shù)據(jù)并通過LCD 顯示屏顯示百分比，使用GSM 模塊通知相應人員收集垃圾；于芳等提出一種基于安卓的智能車載垃圾桶實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STC89C52 單片機作為主控制器，桶內(nèi)連接傳感器，實現(xiàn)異味監(jiān)測、蜂鳴器報警、積液監(jiān)測、紫外線殺菌等功能。該系統(tǒng)可通過APP 實時監(jiān)測，通過藍牙模塊控制系統(tǒng)的滿溢提醒模塊和紫外線消毒模塊；劉欣雨等提出一種基于STM32 單片機的垃圾分類回收監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32 處理器，控制重力傳感模塊和語音播報模塊。重力模塊負責垃圾箱的稱重，語音模塊對錯誤垃圾行為給予建議。通過ZigBee 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C模塊，通過上位機查看垃圾分布、垃圾容量等數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控垃圾站工作情況。

近年垃圾分類在我國備受重視，促進了智能垃圾設備研究。張林等提出一種基于STM32 的智能垃圾桶，該垃圾桶具有語音識別、揮手開蓋、障礙躲避和打掃等功能；王科舉等提出一種基于樹莓派和Arduino 的智能垃圾桶，該垃圾桶結合yolov3-tiny 深度學習模型識別分類垃圾；徐愛蘭等提出一種基于NB-IOT 的垃圾滿溢監(jiān)測結點設計，該系統(tǒng)利用超聲波測量垃圾桶內(nèi)垃圾容量，通過NB-IOT將告警信息傳送至云服務端，方便工作人員對垃圾桶管理；丁小偉等進行智能垃圾設備設計，該設備采用STC89C51 作為控制器，人體感應自動開蓋，具有溫度監(jiān)測及報警功能，可通過APP 控制智能垃圾桶；劉鵬等提出一種基于語音交互功能的智能分類垃圾箱，該垃圾箱以Arduino 作為控制器，LD3320 語音模塊作為人機語音交互功能和語音識別播報系統(tǒng)，實現(xiàn)垃圾桶的開合、傾倒和自動打包功能。2019 年底新冠肺炎疫情給我國衛(wèi)生體系帶來了巨大挑戰(zhàn)，智能垃圾分類設備和基于物聯(lián)網(wǎng)技術的監(jiān)測系統(tǒng)需要進一步整合，以保障公共衛(wèi)生安全。

但以上方法均未在垃圾監(jiān)測系統(tǒng)能耗上進行研究，未進行基于微信小程序的垃圾桶監(jiān)測設計。在前述研究基礎上，本文結合樹莓派、傳感器技術、微信小程序、Onenet 等技術，采用國產(chǎn)USB 北斗接收機三模GNSS 替代GPS 作為定位模塊，并采用輕量級微信小程序替代傳統(tǒng)的手機APP 軟件作為垃圾設備監(jiān)測端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)折線圖顯示，通過微信報警實時通知工作人員。

1 系統(tǒng)架構體系

1.1 系統(tǒng)結構

如圖1 所示，垃圾分類監(jiān)測系統(tǒng)核心模塊包括智能垃圾桶采集端、云服務器端、微信小程序監(jiān)測端。智能垃圾桶采集端包含若干個垃圾收集設備子系統(tǒng)，每個垃圾收集設備子系統(tǒng)有4個垃圾桶，分別是可回收垃圾桶、干垃圾桶、濕垃圾桶和有害垃圾桶。

Fig.1 System structure圖1 系統(tǒng)結構

1.2 子系統(tǒng)硬件結構

子系統(tǒng)硬件結構如圖2 所示，垃圾收集子系統(tǒng)以樹莓派3B+作為主板，包含人體紅外感應器模塊、滿溢檢測模塊、防火檢測模塊、位置定位模塊、殺菌消毒模塊、供電模塊。微信小程序數(shù)據(jù)實時監(jiān)測端包含實時數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、實時報警模塊、報警歷史信息模塊和個人信息模塊。云服務器數(shù)據(jù)存儲端負責系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲與中轉，作為數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)監(jiān)測端的橋梁。

Fig.2 Subsystem hardware structure圖2 子系統(tǒng)硬件結構

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 智能垃圾桶設計

以樹莓派3B+作為主控制器，控制智能垃圾桶端實現(xiàn)命令信息發(fā)送，各個模塊自上而下運行，實現(xiàn)垃圾分類并獲取垃圾桶內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，工作流程如圖3 所示。

Fig.3 Work flow of intelligent garbage equipment圖3 智能垃圾設備工作流程

（1）人體紅外感應模塊。出于節(jié)能和防止語音垃圾桶誤操作考慮，在沒有人投放垃圾時，語音模塊系統(tǒng)進入自動休眠狀態(tài)。當有人靠近垃圾桶一定距離時，通過人體紅外傳感器感應，系統(tǒng)啟動進入工作狀態(tài)，語音模塊啟動，垃圾桶進入正常工作狀態(tài)。該模塊采用HC-SR501 人體紅外傳感器，工作電壓為直流5～20V、感應范圍錐角小于120°、距離小于7m，傳感器有3個引腳：VCC、GND 和DATA。

（2）語音控制模塊。為預防垃圾桶作為中介帶來病菌交叉感染，設計用戶在投放垃圾時不需要用手打開垃圾桶。采用LD3320 語音模塊，通過語音控制舵機旋轉打開垃圾桶投放口。為節(jié)省能耗，方便樹莓派模塊休眠又不影響垃圾桶工作，采用語音模塊微控制器Arduino。LD3320語音模塊工作電壓為直流3～5V，模塊的引腳分別是VCC、GND、CLK、DO、DI、CS、RST 和IRQ。模塊通過控制舵機打開垃圾桶蓋，180 度SG90 舵機控制垃圾桶蓋開合，舵機電壓工作范圍為直流4.8V-6V，通過PWM 控制特定角度旋轉，舵機有3個引腳：VCC，GND 和OUT。

（3）滿溢檢測模塊。垃圾桶滿溢監(jiān)測設計自動測量垃圾桶內(nèi)垃圾容量，當垃圾量沒有超過設定值時正常工作，當垃圾容量超過設定值后垃圾箱的滿溢指示燈點亮，采用HC-SR04 超聲波傳感器自動將垃圾桶容量信息和滿溢信息上傳至云服務器。其工作電壓為直流5V，探測距離小于4.5m，精度0.2cm。超聲波模塊的引腳為VCC、Trig、Echo、GND。

（4）防火檢測模塊。桶內(nèi)高溫或在桶內(nèi)錯投未熄滅的煙蒂，很容易引發(fā)桶內(nèi)火災。從防火安全和保護元器件考慮，當桶內(nèi)溫度超過50°C 時防火提示燈點亮，并將數(shù)據(jù)上傳。模塊采用DS18B20 溫度傳感器，電壓范圍為直流3.0～5.5V，溫度范圍-55～+125°C，在-10～85°C 時精度為±0.5°C。傳感器的引腳為VCC、GND 和OUT。

（5）位置定位模塊。垃圾桶位置安放會不斷調(diào)整，因此垃圾桶安放點具有不確定性。為每個子系統(tǒng)安裝定位模塊，垃圾桶報警通知，保潔人員可通過地圖進行定位找到對應垃圾桶，進行相關處理。此模塊采用USB 北斗接收機三模GNSS 定位模塊。USB 接口樹莓派可以免驅動，支持BDS、GPS 和GLONASS 系統(tǒng)，定位精度為2.5m。

（6）消毒殺菌模塊。2019 年底新型冠狀肺炎爆發(fā)，公共衛(wèi)生安全引起人們高度重視。為防止病毒和細菌滋生，在垃圾桶內(nèi)安裝了紫外線燈，每12個小時殺毒消毒模塊工作半小時。該模塊通過繼電器控制消毒燈開關進行定時殺菌消毒工作，采用LED 紫外線殺菌UV 燈，工作電壓12V。

（7）供電模塊。樹莓派輸出電壓有3.3V 和5V 兩種電壓，無法滿足高于5V 的電壓以及多元器件負載，有必要設計一個獨立供電模塊，負責樹莓派供電以及其它元器件供電。在無人投放垃圾時樹莓派進入休眠狀態(tài)，防止?jié)M溢模塊、防火模塊等損耗電能。為了依據(jù)現(xiàn)實情況便捷移動垃圾設備，供電模塊采用太陽能電池板供電。

2.2 微信小程序監(jiān)測端功能設計

垃圾設備監(jiān)測系統(tǒng)移動端大多采用電腦上位機Web網(wǎng)頁端或手機APP 程序。近年微信用戶發(fā)展很快，手機移動端一般都安裝有微信軟件。微信小程序具有開發(fā)簡單、使用便捷的優(yōu)勢。

（1）應用程序文件結構。應用程序主要使用的技術有JS（Javascript）、JSON、和WXSS。.js 文件應用程序是邏輯文件，.json 文件應用程序是配置文件，.wxss 應用程序是定義公共樣式。應用程序主要由實時數(shù)據(jù)、實時報警、報警歷史和個人信息4個頁面組成，程序文件目錄結構描述如表1所示，該程序的重要代碼模塊說明如表2 所示。

Table 1 Application file directory structure表1 應用程序文件目錄結構

Table 2 Important code description表2 重要代碼說明

（2）小程序與云服務器數(shù)據(jù)交互。小程序端調(diào)用wx.login（）方法獲取到當前用戶代碼，傳給服務器。Wx.request 發(fā)起HTTPS 網(wǎng)絡請求，GET 方法獲得云服務器數(shù)據(jù)，POST 方法發(fā)送數(shù)據(jù)到云服務器，傳輸數(shù)據(jù)是String 類型。通過統(tǒng)一資源定位器（Uniform Resource Locator，URL）和API-KEY 獲取云服務器數(shù)據(jù)。

（3）實時數(shù)據(jù)和報警歷史界面。調(diào)用wx-charts 應用程序圖形，它基于canvas 繪制，具有體積小的優(yōu)點，支持餅圖、線圖、柱狀圖、區(qū)域圖等圖表類型。實時數(shù)據(jù)頁面顯示垃圾設備的溫度和容量折線圖，報警歷史界面柱狀圖顯示調(diào)取云服務器的溫度、滿溢報警次數(shù)。

（4）實時報警頁面。實時報警頁面顯示報警模塊信息。從云服務器獲取到報警信號后，在頁面顯示垃圾設備類型。微信用戶通過appid 和seret 連接微信接口，報警信息通過微信接口實時發(fā)送報警信息到指定微信用戶。

（5）個人信息頁面。注冊頁面，在WeUi 基礎樣式庫找到對應樣式，使用input 實現(xiàn)輸入框。個人信息頁面與注冊頁面布局相似，通過注冊頁面輸入生成如姓名、手機號等信息。在相應的JavaScript 文件的data 數(shù)組定義變量userinfo。Userinfo 的值通過后臺需求訪問，獲取用戶信息并保存在本地，通過onload（）函數(shù)從本地讀取賦值。

2.3 云服務器端設計

收集硬件端垃圾桶的數(shù)據(jù)信息，負責儲存數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)中轉站的作用。

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品。選擇http 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，平臺側提供以下功能：存儲設備上報的數(shù)據(jù)點，提供API 接口實現(xiàn)設備管理，提供數(shù)據(jù)推送到應用；登錄注冊中國移動物聯(lián)網(wǎng)平臺，進入平臺選擇控制臺的多協(xié)議接入選項，創(chuàng)建產(chǎn)品；添加產(chǎn)品參數(shù)，如表3 所示。

Table 3 Adding product information表3 添加產(chǎn)品信息

（2）添加設備。每個產(chǎn)品對應多個設備，通過設備設置數(shù)據(jù)流，用于接收垃圾箱采集端的各種數(shù)據(jù)。本文以一個智能垃圾設備（1 號智能垃圾設備，鑒權信息為smartnumber1）為例進行闡述，其它垃圾設備設置同理。

（3）添加數(shù)據(jù)模板。為收集智能垃圾采集端的數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建設備中添加數(shù)據(jù)流模板。該智能垃圾監(jiān)測系統(tǒng)主要對垃圾桶內(nèi)溫度、垃圾容量、溫度報警次數(shù)、滿溢報警次數(shù)、故障報警次數(shù)、位置經(jīng)緯度、殺菌消毒次數(shù)等信息進行采集。數(shù)據(jù)模板如表4 所示。

Table 4 Data template表4 數(shù)據(jù)模板

3 微信小程序結果展示

如圖4-圖7 所示，在“實時數(shù)據(jù)顯示”頁面中，折線圖查看垃圾設備內(nèi)4個桶的溫度和容量信息；在“實時報警信息”頁面中，依次可以看到溫度報警模塊、滿溢報警模塊和故障報警模塊信息；在“報警歷史信息”頁面中，柱狀圖顯示滿溢和防火報警情況，以此觀察報警次數(shù)，柱狀圖顯示“1”代表某個時間報警信息，不顯示則為正常工作；在“個人信息頁面”可以查看用戶的微信頭像、姓名、手機號、性別、工作區(qū)域、工號、入職年份等信息。

Fig.4 Real-time data page圖4 實時數(shù)據(jù)頁面

Fig.5 Real-time alarm page圖5 實時報警頁面

Fig.6 Alarm history page圖6 報警歷史頁面

Fig.7 Personal information page圖7 個人信息頁面

4 結語

為配合垃圾分類政策，貫徹現(xiàn)代社會綠色可持續(xù)發(fā)展理念，本文利用物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)各自的優(yōu)勢，依靠數(shù)據(jù)采集和分析合理分配資源，結合微信小程序、云服務器等互聯(lián)網(wǎng)技術，設計了一種智能垃圾設備監(jiān)測系統(tǒng)。采用樹莓派和Arduino 雙控制板，Arduino 控制樹莓派的獨立電源，達到節(jié)省能耗的目的。本文還設計了一款協(xié)助保潔人員管理垃圾設備和收集垃圾的微信小程序，直觀顯示采集數(shù)據(jù)的動態(tài)信息，可直接查看報警信息。后續(xù)工作是將系統(tǒng)優(yōu)化，增加后臺管理平臺，利用大數(shù)據(jù)處理技術分析垃圾設備數(shù)據(jù)，使垃圾設備分布更加合理，配合保潔人員更加高效地進行垃圾分類，提高設備利用效率。