城市“守望者”
——一種智能垃圾桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陶逸航，葉崢杰，郭展鋒，范明明，崔峰

城市“守望者”
——一種智能垃圾桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陶逸航，葉崢杰，郭展鋒，范明明，崔峰

城市“守望者”是一款智能垃圾桶，其設(shè)計(jì)初衷是為了普及垃圾種類的知識(shí)，增強(qiáng)大眾垃圾分類的意識(shí)，美化城市道路，提高垃圾清理及回收效率。本設(shè)計(jì)集成了大扭力舵機(jī)、GSM/GPRS模塊、超聲波模塊以及語(yǔ)音模塊，開發(fā)基于Arduino和Web的軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)。主要實(shí)現(xiàn)了按鈕強(qiáng)制分類、滿溢短信提醒、智能感應(yīng)路燈、語(yǔ)音互動(dòng)播放、桶內(nèi)異味監(jiān)控5大功能，并突破了傳統(tǒng)垃圾桶的局限性，不僅起到了改善垃圾分類投放的功能，而且還能優(yōu)化垃圾回收后續(xù)機(jī)制。這些創(chuàng)新點(diǎn)為市政建設(shè)提供了一個(gè)有效的解決方案，成為環(huán)保意義上的城市“守望者”。

環(huán)保；智能垃圾桶；按鈕分類；滿溢提醒；智能路燈；語(yǔ)音播放；異味監(jiān)控

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏垃圾分類回收系統(tǒng)，我國(guó)處理城市垃圾的方式都是混合收集、運(yùn)輸、籠統(tǒng)填埋或堆積。這不僅嚴(yán)重污染了環(huán)境，而且還損失了很多可回收的資源；再者，公民對(duì)于垃圾分類投放的意識(shí)也相對(duì)薄弱，這些都是當(dāng)下城市垃圾分類及回收過(guò)程中存在的問(wèn)題?；诖耍咀髌反蚱圃瓉?lái)垃圾“隨意扔”的模式，提出了一種全新的分類模式，提供了一種面向智慧城市、智能垃圾桶的設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)方法。

2 作品功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 按鈕分類功能

生活中，開口式垃圾桶讓人們有隨意扔垃圾的可能。對(duì)此，本作品立足于全封閉式設(shè)計(jì)。用戶必須通過(guò)按下標(biāo)有垃圾材質(zhì)名稱的相應(yīng)按鈕才能打開垃圾桶入口。在這種半強(qiáng)制模式下潛移默化地改變?nèi)藗兊睦诸愐庾R(shí)。

2.2 滿溢提醒功能

垃圾桶內(nèi)頂部裝有超聲波測(cè)距模塊以監(jiān)測(cè)各個(gè)桶內(nèi)的垃圾量，當(dāng)桶內(nèi)垃圾量達(dá)到桶容積的80%時(shí)，將通過(guò)GSM/ GPRS信息模塊[1]（以下將簡(jiǎn)稱為GSM/ GPRS模塊）發(fā)送短信至工作人員手機(jī)，要求及時(shí)清理避免垃圾溢出，同時(shí)也大大提高了回收效率。

2.3 智能路燈功能

由于垃圾桶分布范圍較廣，在桶身布置LED照明系統(tǒng)后，可彌補(bǔ)部分地區(qū)夜間照明不足帶來(lái)的行人安全隱患。桶身外部裝有熱釋電紅外傳感器，只當(dāng)有人經(jīng)過(guò)且光線不足時(shí)打開LED燈，節(jié)約了電能，也方便了行人。

2.4 語(yǔ)音播放功能

當(dāng)每次按下分類按鈕后，桶內(nèi)語(yǔ)音模塊會(huì)隨機(jī)播放一段優(yōu)美的音樂(lè)或是一段祝福的話回饋給用戶，給人以驚喜，讓人們更樂(lè)于投放垃圾入桶，從而減少亂扔垃圾的現(xiàn)象。

2.5 異味監(jiān)控功能

用戶靠近傳統(tǒng)垃圾桶時(shí)常常會(huì)聞到陣陣惡臭，為解決這一問(wèn)題，本產(chǎn)品采用封閉式箱體，與此同時(shí)在箱體內(nèi)裝有氣體傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控箱內(nèi)有害氣體并通過(guò)桶底風(fēng)扇保持箱體內(nèi)空氣始終流通不至于垃圾腐臭。

3 工作原理設(shè)計(jì)

本作品由按鈕分類、滿溢提醒、智能路燈、語(yǔ)音播放、異味監(jiān)控5大模塊組成。整體設(shè)計(jì)原理示意圖如圖1所示。

圖1 核心的控制體系示意圖

3.1 按鈕分類模塊

按鈕分類模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1）若手持不可回收垃圾，當(dāng)按下不可回收按鈕時(shí)，微控制器處理信號(hào)后，向不可回收桶的舵機(jī)發(fā)送指令，令其旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上固定的桶蓋打開，投入垃圾。

2）若手持金屬等可回收垃圾，按下相應(yīng)的按鈕，微控制器處理信號(hào)后，帶動(dòng)舵機(jī)上連接的導(dǎo)軌一起轉(zhuǎn)動(dòng)至存放相應(yīng)材質(zhì)的垃圾桶上方，投入垃圾。

3.2 滿溢提醒模塊

滿溢提醒模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1）當(dāng)用戶空閑時(shí)每隔一定周期采集一次當(dāng)前桶內(nèi)垃圾的高度并與80%設(shè)計(jì)容量值進(jìn)行比較。

2）當(dāng)超聲波模塊的測(cè)量值首次小于設(shè)定值時(shí)，發(fā)送信號(hào)至微處理器。

3）微處理器通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)AT指令控制，GSM/GPRS模塊將已編輯的短信發(fā)送至垃圾回收人員的手機(jī)。

3.3 智能路燈模塊

智能路燈模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1）熱釋電紅外傳感器將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，持續(xù)發(fā)送給微控制器。

2）在微控制器中預(yù)設(shè)一個(gè)固定值為閾值。

3）當(dāng)信號(hào)達(dá)到閾值后控制器發(fā)送指令緩慢點(diǎn)亮桶身的LED燈，當(dāng)路人離開后慢慢熄滅。

3.4 語(yǔ)音播放模塊

語(yǔ)音播放模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1）用戶按下交互按鈕后，微控制器向MP3-TF解碼器發(fā)送信號(hào)。

2）MP3-TF解碼器隨機(jī)播放內(nèi)存卡中語(yǔ)音。若垃圾桶安裝在公園、公交站等場(chǎng)所時(shí)，MP3-TF解碼器可以定時(shí)播放隨機(jī)音樂(lè)。

3.5 異味監(jiān)控模塊

異味監(jiān)控模塊具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1）氣體傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量垃圾桶內(nèi)硫化氫氣體濃度，若檢測(cè)到氣體濃度大于所設(shè)定的閾值，則發(fā)信號(hào)給微控制器。

2）微控制器接受信號(hào)后控制風(fēng)扇排風(fēng)，等氣體濃度小于一定值后停止排風(fēng)。

4 創(chuàng)新點(diǎn)分析

本作品包含如下創(chuàng)新點(diǎn)。

1)采用垃圾材質(zhì)分類按鈕開蓋，培養(yǎng)了用戶的分類意識(shí)。

2)改善了傳統(tǒng)垃圾桶滿溢后沒(méi)有及時(shí)清理或者還未滿就需要多次清理的低效率操作。

3）創(chuàng)新了用戶使用后的反饋功能。

4）創(chuàng)新了垃圾桶夜間照明功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

在城市飛速發(fā)展的階段，城市環(huán)境建設(shè)就像城市的名片一樣，代表了一個(gè)城市的面貌，顯得尤為重要。本產(chǎn)品改變了傳統(tǒng)的扔垃圾方式，利用垃圾材質(zhì)分類按鈕開蓋給用戶灌輸垃圾分類思想，間接減輕了垃圾混丟、垃圾遍地的現(xiàn)象。又創(chuàng)新性地突破了傳統(tǒng)垃圾桶功能的局限性，基于滿溢提醒、智能路燈、語(yǔ)音回饋等功能模塊，與工作人員建立了高效合作關(guān)系，與用戶建立了良好的互動(dòng)和情感關(guān)聯(lián)，在很大程度上滿足了目標(biāo)市場(chǎng)的需求，因此本作品擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]韓斌杰，杜新顏，張建斌.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]陳呂洲.Arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[3]宋楠，韓廣義.Arduino開發(fā)從零開始學(xué)——學(xué)電子的都玩這個(gè)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

City Watcher—Design and Implementation of an Intelligent Garbage Can

TAO Yi-hang, YE Zheng-jie, GUO Zhan-feng, FAN Ming-ming , CUI Feng

（西北工業(yè)大學(xué)）

(College of Northwestern Polytechnical University)

The city watcher is a smart garbage can, it is designed to spread knowledge of garbage types, enhance public awareness of garbage classif i cation, beautify the city roads, improve the eff i ciency of waste-collection and recycling. This work integrates the high torque servo ultrasonic module, GSM/GPRS module, Ultrasonic modules and Voice module, develops hardware and software system platforms based on the Arduino and Web. It mainly achieves fi ve functions such as button classif i cation, SMS alerting after overf l owing, induction lamps, voice interactive play and bucket odor monitoring, breaking through the limitations of traditional trash. It not only improvs the function of garbage classif i cation, but also optimizes the follow-up mechanisms of garbage collection. These innovations will provide an effective solution for municipal construction and make it an environmental city watcher.

environmental protection; intelligent garbage can; button classification; overflow reminding; smart streetlights; voice broadcasting; odor controlling