物聯(lián)監(jiān)控智能垃圾分類桶的設(shè)計

葉廣源+熊正燁+李銘士+陳旭然

摘要：隨著科技的發(fā)展，人們物質(zhì)生活得到飛躍的同時，生活中產(chǎn)生的大量垃圾卻易被忽視，垃圾分類尚未形成習慣。本設(shè)計的目的是推出一款利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控的智能自動分類垃圾桶，包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和智能自動垃圾分類。一方面該垃圾桶提醒扔垃圾的人在投放垃圾前進行分類，也可通過多種傳感器自動識別并將垃圾分類，養(yǎng)成垃圾分類的好習慣，并通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)對垃圾分類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；另一方面，垃圾桶本身也是物聯(lián)網(wǎng)的接入模塊，可監(jiān)控垃圾桶的狀態(tài)，并發(fā)送信號，極大地方便環(huán)衛(wèi)部門對垃圾桶等公共設(shè)施智能化管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；垃圾分類；環(huán)保；傳感器技術(shù)

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0136-03

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常的廣泛[1]，無論是在工業(yè)生產(chǎn)，還是家庭個人，都可以看到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的痕跡。工業(yè)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實時智能監(jiān)控生產(chǎn)線，一出現(xiàn)生產(chǎn)問題，技術(shù)人員可以馬上定位故障地點進行維護，極大地提升生產(chǎn)效率[2]。在日常生活中，智能家居、智能電器就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的例子。大至整個家庭空間的監(jiān)控，小到一個接線排插，都可以接入互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的廣泛的應(yīng)用提升了我們的生活質(zhì)量，還可能用于改善環(huán)境[3]。在享受科技帶給我們便利的同時，需關(guān)注環(huán)境保護的問題。在日常生活中產(chǎn)生大量的垃圾，垃圾處理不當就會導致嚴重污染。垃圾分類是最簡單、最可行、也是最高效的資源回收方法[4]。人們對智能垃圾桶進行了很多構(gòu)想[5，6]，對垃圾識別技術(shù)也進行了一些探索。自動垃圾分類可盡可能回收利用垃圾，又可有效降低垃圾處理成本， 由于其具有一定的市場潛力，很多技術(shù)和裝置都申報了專利[7，8]。本文在自動垃圾識別的基礎(chǔ)上，將之與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，使之成為可被環(huán)保部門選用的實用型垃圾分類系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體組成和功能

物聯(lián)監(jiān)控的智能自動分類垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計包括智能自動分類垃圾垃圾桶、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)、移動端實時監(jiān)控系統(tǒng)三大部分。每個部分有獨特的設(shè)計和功能，分布在垃圾桶上的多個傳感器是智能垃圾桶的特色，實時監(jiān)控垃圾桶狀態(tài)，諸如垃圾桶內(nèi)垃圾高度等信息，將這些狀態(tài)信息及時準確的提醒相關(guān)的工作人員，有助于減少勞動成本。

智能自動垃圾分類桶的智能體現(xiàn)在能結(jié)合微型控制系統(tǒng)，利用多種安裝在垃圾桶上的傳感器對人們垃圾分類意識、分類垃圾種類、分類子桶內(nèi)垃圾高度等數(shù)據(jù)的采集和傳輸；對有扔垃圾意識的人進行善意提醒，幫助人們養(yǎng)成良好分類垃圾的習慣；利用傳感器技術(shù)識別不同類別的垃圾，然后將未分類的垃圾進行自動分類；將垃圾桶自動分類情況、狀態(tài)和安裝地點，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫幫助后續(xù)研究人員分析和再次開發(fā)。

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)是一個后臺管理中心計算機，其功能包括處理和分析垃圾桶上各個傳感器傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)，服務(wù)器自動構(gòu)建相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫的搭建。如有分布式地布置智能分類垃圾桶，可對全部區(qū)域采集的數(shù)據(jù)進行比較和分析，生成相關(guān)數(shù)據(jù)報告可供后期城市建設(shè)作為公共設(shè)施布置參考。

移動端實時監(jiān)控一般是提供給環(huán)衛(wèi)工人使用的移動終端，便于分區(qū)垃圾桶狀態(tài)的監(jiān)控。終端自帶提醒功能，能夠提醒環(huán)衛(wèi)工人及時、準確的處理相關(guān)環(huán)衛(wèi)工作，同時便于合理的安排工人，節(jié)省勞動力。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 智能自動分類垃圾桶

智能自動分類垃圾桶包括善意提示模塊、智能識別垃圾模塊、分類篩選模塊、垃圾子桶、監(jiān)測垃圾桶狀態(tài)模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊、太陽能電源管理模塊等。這些模塊通過合理的設(shè)計，組成整個垃圾桶的智能自動分類系統(tǒng)。

提醒人們在扔垃圾前將垃圾分類，幫助人們養(yǎng)成垃圾分類的好習慣是本設(shè)計的最基本目的。安裝在垃圾桶上的善意提醒模塊的功能就是在扔垃圾之前，通過檢測人是否有意向扔垃圾并進行相應(yīng)的提醒，從而達到提醒的目的，助人養(yǎng)成垃圾分類的好習慣。

智能識別垃圾模塊是由電容式傳感器[9]、電感式傳感器，通過多個傳感器位置的合理排布，可以識別介電常數(shù)不同的垃圾。微型處理器采集到傳感器的信號后，經(jīng)過內(nèi)部的信號處理和相應(yīng)軟件程序算法控制，驅(qū)動分類篩選模塊，將垃圾準確的投入到指定的垃圾子桶。當垃圾子桶滿后，安裝在子桶內(nèi)部的光電傳感器將會檢測到，并將信號輸出到處理器，經(jīng)聯(lián)網(wǎng)模塊將信息發(fā)至服務(wù)器。整套系統(tǒng)的所有傳感器和微型處理器構(gòu)成本垃圾桶的信號監(jiān)測系統(tǒng)，通過太陽能供電，wifi或GPRS聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。

垃圾自動分類原理和過程如圖2所示。

2.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)

將布置在不同公共場合的智能自動分類垃圾桶通過無線網(wǎng)絡(luò)連接起來，是實現(xiàn)物聯(lián)監(jiān)控的通信基礎(chǔ)。分布在諸如公園、街道、公交站旁等地的智能垃圾桶，自帶無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，根據(jù)實際場地，選擇wifi或GPRS通信。垃圾桶里安裝的傳感器將采集的數(shù)據(jù)，通過控制系統(tǒng)里的微型處理器將數(shù)據(jù)處理和打包后，將垃圾桶的狀態(tài)信息發(fā)送到指定的服務(wù)器，其過程如圖3所示。

2.3 后臺管理服務(wù)器

涉及到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用，一般需要一臺遠程的后臺服務(wù)器，服務(wù)器作為物聯(lián)網(wǎng)的核心，扮演著重要的角色。在一般的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，后臺服務(wù)器是用于處理客戶端請求，處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。智能分類垃圾桶只是作為本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的客戶端模塊，具體的實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，還需一臺服務(wù)器。服務(wù)器可以是一臺遠程的計算機，一般搭載開源的Linux操作系統(tǒng)，可以方便的供后續(xù)的升級開發(fā)工作。服務(wù)器的主要功能是處理垃圾桶傳輸過來的請求，并且將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行計算處理和監(jiān)控，同時將處理結(jié)果返回給移動終端。當監(jiān)控的數(shù)據(jù)異常時，會通知工作人員趕到指定現(xiàn)場處理情況。諸如垃圾桶滿了、通信中斷、太陽能電池電量耗盡等情況。

服務(wù)器采用的是云服務(wù)器，云服務(wù)器相對于傳統(tǒng)服務(wù)器有很多的優(yōu)點，使用云服務(wù)器，我們不需要購買硬件設(shè)備，而且可以快速的選擇搭建自己要使用的各類型服務(wù)器，同時也可以快速釋放不需要使用的服務(wù)器，這樣可以極大的節(jié)省資源。另外，云服務(wù)器在管理上也非常高效、方便，只需在遠程登入相應(yīng)的主機，就可以實現(xiàn)遠程管理，是現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的最佳解決方案。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 嵌入式微型控制系統(tǒng)

嵌入式微型處理控制模塊是一塊基于ARM的核心板，其功能主要有：提供系統(tǒng)時鐘、中斷、輸出I/O口、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能。通過自行設(shè)計垃圾分類和篩選器的驅(qū)動電路，微型處理器可以對電路的控制，實現(xiàn)整個智能垃圾桶的所有功能。微型處理器是整個垃圾桶的核心，里面裝載著實現(xiàn)整個智能垃圾桶所有功能的軟件程序，在選取的時候，盡量選擇Cortex-M4系列的芯片，因為Cortex-M4在功耗、穩(wěn)定性、信號處理上具有極大優(yōu)勢，而且這款芯片也便宜，是工業(yè)嵌入式領(lǐng)域芯片選擇的常用方案。

3.2 物聯(lián)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫

智能分類垃圾桶只是作為本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的客戶端模塊，具體的實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，還需一臺服務(wù)器。服務(wù)器可以是一臺遠程的計算機，一般搭載開源的Linux操作系統(tǒng)，可以方便的供后續(xù)的升級開發(fā)工作。服務(wù)器的主要功能是處理垃圾桶傳輸過來的請求，并且將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行計算處理和監(jiān)控，同時將處理結(jié)果返回給移動終端。當監(jiān)控的數(shù)據(jù)異常時，會通知工作人員趕到指定現(xiàn)場處理情況。諸如垃圾桶滿了、通信中斷、太陽能電池電量耗盡等情況。

服務(wù)器會構(gòu)建一個數(shù)據(jù)庫，將每次處理的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中，并且通過計算和分析，提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的作用有如下功能：其一是供給日后研究相關(guān)課題的研究人員作為數(shù)據(jù)參考；其二是可以分析人們對垃圾的分類習慣；其三是通過分析垃圾桶的使用效率，為日后公共設(shè)施的布局提供重要參考，從而做到科學、合理的分配公共資源。

3.3 移動終端APP

移動終端是供給環(huán)衛(wèi)工人使用的，界面如圖4所示。移動終端是安裝在andriod系統(tǒng)的手機APP。在如圖所示的界面內(nèi)容中，將主要的信息呈現(xiàn)，包括連接服務(wù)器的狀態(tài)、垃圾桶電量、垃圾桶位置、報警顯示、各個垃圾子桶的狀態(tài)、相關(guān)操作按鈕等。

移動終端在連接互聯(lián)網(wǎng)后，始終和服務(wù)器連接，服務(wù)器根據(jù)垃圾桶傳入的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)送給終端，終端也可以對服務(wù)器進行刷新請求，從而做到實時監(jiān)控垃圾桶。

4 后臺中心數(shù)據(jù)庫

服務(wù)器會構(gòu)建一個數(shù)據(jù)庫，將每次處理的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中，并且通過計算和分析，提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的作用有如下功能：其一是供給日后研究相關(guān)課題的研究人員作為數(shù)據(jù)參考；其二是可以分析人們對垃圾的分類習慣；其三是通過分析垃圾桶的使用效率，為日后公共設(shè)施的布局提供重要參考，從而做到科學、合理的分配公共資源。

搭建數(shù)據(jù)庫對于后續(xù)的開發(fā)和研究具有很大的意義，數(shù)據(jù)對于后續(xù)的研究不僅是非常重要的參考，在研究人們對分類意識、產(chǎn)品的升級方面也有極大的幫助。通過對數(shù)據(jù)的分析，可以在日后的設(shè)備升級中優(yōu)化智能垃圾桶的設(shè)計，在布局安裝垃圾桶時做到合理科學的分布。

5 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)的步伐日益加快，人們對垃圾分類的意識都很淡薄，而垃圾分類在垃圾處理環(huán)節(jié)中比垃圾的再利用意義更大。所以，人們不僅要對垃圾進行分類，養(yǎng)成對垃圾進行分類的習慣，而且對全民形成垃圾分類的意識具有更大的意義。通過科技的手段改善垃圾分類，有利于對資源的再利用、降低工業(yè)生產(chǎn)成本、保護環(huán)境、降低人力的成本等，而據(jù)目前為止，除了在歐美日等發(fā)達國家外，在垃圾分類的工作上做的比較好之外，像普通的發(fā)展中國家，在垃圾分類上都做得差強人意，加上人類產(chǎn)生垃圾的速度遠遠大于垃圾處理速度。于是，以科學技術(shù)為第一生產(chǎn)力的智能垃圾分類技術(shù)的研究顯得迫不及待。所以，人們不僅要對垃圾進行分類，養(yǎng)成對垃圾進行分類的習慣和全民形成垃圾分類的意識具有更大的意義。我們設(shè)計的垃圾分類桶不僅具有垃圾分類的功能，還要添加人們對垃圾分類形成習慣的功能，這樣做的意義尤為重要。

垃圾是放錯地方的資源，對資源再利用的探索是我們最終的目的。我們這個項目便是開發(fā)一種裝置讓大家都形成垃圾分類的好習慣；其次，通過科學技術(shù)這種生產(chǎn)力對垃圾進行分類，可以大大節(jié)約人力，提高垃圾分類效率；最后通過研究這種小型的智能垃圾分類桶對以后大量、大型的垃圾處理具有非常重要的參考價值。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將智能自動分類垃圾桶結(jié)合，實現(xiàn)一種即時的監(jiān)控，遠程的服務(wù)器可以方便快捷地對垃圾桶狀態(tài)數(shù)據(jù)處理，如有異?？梢钥焖俚耐ㄖ嚓P(guān)的工作人員進行處理。在服務(wù)器搭建數(shù)據(jù)庫，對后續(xù)的研究也有極大的意義，在設(shè)備的升級、垃圾桶的布局提供重要的科學管理依據(jù)。

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