一種基于人體紅外檢測、太陽能供電的智能垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計

李夢婉+方賡

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們生活質(zhì)量得到飛躍的同時，也產(chǎn)生大量生活、工作垃圾卻常常被人們所忽視，人們尚未形成垃圾分類的意識。本系統(tǒng)設(shè)計的目的是研制一款利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控的智能自動分類垃圾分類系統(tǒng)，包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和智能自動垃圾分類。一方面該系統(tǒng)可以提醒扔垃圾的人在投放垃圾前進行分類，也同時可通過多種傳感器自動識別并將垃圾分類，使人們養(yǎng)成垃圾分類的好習(xí)慣，管理人員可以通過物聯(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，系統(tǒng)中的垃圾桶本身也是物聯(lián)網(wǎng)的感知系統(tǒng)，可動態(tài)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；傳感器技術(shù)

項目來源：2017年江蘇省教育廳大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目 “一種基于人體紅外檢測、太陽能供電的智能垃圾分類系統(tǒng)”（ 項目編號：201712920014Y）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常的廣泛， 無論是在工業(yè)生產(chǎn)上還是家庭中，都可以看到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在人們在日常生活中會產(chǎn)生大量的垃圾， 垃圾處理不當(dāng)就會嚴(yán)重污染當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境。智能垃圾分類是最簡單、最可行、也是最高效的資源回收方法。

1 系統(tǒng)的組成和主要功能

系統(tǒng)的設(shè)計包括智能自動分類垃圾垃圾桶、后臺系統(tǒng)、移動終端實時監(jiān)控系統(tǒng)三大部分。每個部分有獨特的設(shè)計和功能， 安裝在垃圾桶上的多種傳感器是智能垃圾桶獨有的特色， 可以實時監(jiān)控垃圾桶的各種狀態(tài)，如垃圾桶內(nèi)垃圾高度等信息， 將這些狀態(tài)信息可以及時準(zhǔn)確的提醒相關(guān)的工作人員， 有助于減少勞動成本。

智能垃圾桶的人工智能主要體現(xiàn)在能結(jié)合一個小型單片機系統(tǒng)， 利用多種安裝在垃圾桶上的傳感器對人們的垃圾分類意識、分類子桶中的垃圾高度等數(shù)據(jù)的采集和傳輸；智能垃圾桶可以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(xí)慣。

智能垃圾桶的主要內(nèi)容：

主要包含三部分內(nèi)容：人體紅外檢測、時間設(shè)定及定時、播放語言提示、太陽能供電。

人體紅外檢測：主要通過紅外探測傳感器將人體發(fā)出的紅外和外界物體的紅外區(qū)分開，從而達到檢測到移動人體紅外信號。

時間定時：主要通過秒計數(shù)器實時計數(shù)，產(chǎn)生秒時鐘，并通過MCU微控制器設(shè)置定時器，在定時時間觸發(fā)相應(yīng)功能，該智能垃圾桶通過設(shè)置時間可完成在設(shè)定時間范圍內(nèi)語音播放功能正常工作。避免夜間影響人們正常休息。

播放語音：可通過MicroSD卡更新播放內(nèi)容到智能分類垃圾桶的控制器內(nèi)。并設(shè)置播放模式。音量可根據(jù)安裝地區(qū)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)置大小。

太陽能供電：采用太陽能方式為整個系統(tǒng)提供電源。通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能存儲在鋰電池中，為整個系統(tǒng)提供電源，節(jié)能環(huán)保。

后臺系統(tǒng)其功能包括處理和分析垃圾桶上各種傳感器傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)， 服務(wù)器自動分類在數(shù)據(jù)庫里存貯各類監(jiān)測數(shù)據(jù)。

移動端實時監(jiān)控可以實時監(jiān)控智能垃圾桶狀態(tài)的。終端自帶提醒功能，能夠提醒使用者及時、準(zhǔn)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。

2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及難點

2.1 紅外探測準(zhǔn)確度

當(dāng)有人走近垃圾桶扔垃圾時，要及時播放語音提示提醒扔垃圾者垃圾要分類存放。當(dāng)扔垃圾的人扔完垃圾離開垃圾桶時要和走近扔垃圾的行為區(qū)分開。解決方案主要通過完善紅外探測電路設(shè)計及設(shè)計相應(yīng)算法以達到準(zhǔn)確的區(qū)分和控制。

2.2 播放語音設(shè)計

由于垃圾桶是一種耗材產(chǎn)品，使用年限有限，這就要求以較低的成本完成設(shè)計。語音播放通過MCU編解碼將語音信號解碼成數(shù)字信號播放。避免采用高成本的專用語音編解碼芯片。將語音編解碼功能集成到MCU的功能中。在滿足清晰播放語音功能的要求上降低成本。

2.3 太陽能充電系統(tǒng)設(shè)計

太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，要通過充電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能存儲到鋰電池中。該設(shè)計要求能適應(yīng)各種自然環(huán)境，及保證在日照時間較少的地方能保證有足夠的電能提供。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 智能自動分類垃圾桶

智能自動分類垃圾桶包括語音模塊、智能識別模塊、垃圾桶、監(jiān)測狀態(tài)模塊、數(shù)據(jù)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， 組成整個系統(tǒng)。

語音模塊是提醒人們在扔垃圾前將垃圾分類，起到幫助人們養(yǎng)成垃圾分類的好習(xí)慣是本設(shè)計的最基本目的。系統(tǒng)可以通過紅外傳感器檢測人還是其它生物在垃圾桶前，并通過程序加以辨識。如果是人，則通過音箱發(fā)出事前錄制好的提示音。

圖3.1是智能垃圾桶核心硬件原理圖，從圖中可以看到CPU采用 STM32F103RCT6， STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路（IC），芯體尺寸是32位，速度是72MHz，程序存儲器容量是256KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是48K，外圍設(shè)備可以：DMA，電機控制PWM，PDR，POR，PVD，PWM，溫度傳感器，WDT，晶振。

本系統(tǒng)包括電源、時鐘、IO接口、SD音頻控制電路等。

系統(tǒng)采用人體紅外感應(yīng)傳感器，可以自主判斷是否是人還是其他動物在智能垃圾桶前。如果是人通過人工智能程序判斷是路過還是真的需要處理垃圾，這里增加了一些人工智能控制有效的解決了，行人路過或車輛路過造成的誤報和小動物覓食引起的誤報。不至于在居民小區(qū)里造成新的噪聲污染。

當(dāng)有人靠近垃圾桶時系統(tǒng)自動判斷是否有扔垃圾的動作，如果有則播放語音提示垃圾分類存放，并可以自動打開或關(guān)閉垃圾桶蓋子。可用SD卡預(yù)存的語音播放內(nèi)容，聲音大小、播放時段可通過配置設(shè)置。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的設(shè)計

如圖圖3.2是整個智能垃圾分類系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出這個系統(tǒng)包括智能垃圾桶、GPRS網(wǎng)關(guān)、后臺管理云服務(wù)器平臺、移動終端等部分構(gòu)成。

3.2.1無線傳輸

可以將布置在不同場合的智能垃圾桶通過無線網(wǎng)絡(luò)連接起來， 自帶無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。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， 其過程如圖所示。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，GPRS聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。

在封閉的小區(qū)內(nèi)每個垃圾桶內(nèi)裝有ZIGEBEE模塊，可將當(dāng)前垃圾桶的狀態(tài)例如裝滿、倒地等狀態(tài)通過無線上傳到網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理控制中心，這樣可以將分散的垃圾桶統(tǒng)一管理起來 ，可以提高環(huán)保部門對城市內(nèi)垃圾桶的有效管理。

3.2.2后臺管理云服務(wù)器平臺

服務(wù)器的主要功能是處理智能垃圾桶傳輸過來的數(shù)據(jù)，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(dāng)監(jiān)控的數(shù)據(jù)異常時， 會通知工作人員。

4 小結(jié)

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， 如有異常可以快速的通知相關(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(xué)管理依據(jù)。

作者簡介

方賡（1975-），男，高級工程師、講師，南京科技職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院講師，從事軟件技術(shù)教育工作。endprint