智能垃圾桶的研究與設(shè)計

劉 紅， 許妙佳

(上海電機學(xué)院 電子信息學(xué)院, 上海 201306)

市場上垃圾桶的款式大致可以分為以下3種：① 腳部踩踏型。避免了手與垃圾桶蓋子的接觸，同時也節(jié)省了丟垃圾所消耗的體力。② 加蓋型。最常見的垃圾桶款式之一，有效阻止了氣味蔓延，一定程度上保障了周邊環(huán)境。③ 360°旋轉(zhuǎn)型。目前大部分城市垃圾桶的類型，垃圾桶的可旋轉(zhuǎn)方便了垃圾的傾倒和回收，大幅節(jié)省了環(huán)衛(wèi)工作人員的體力和時間[1-3]。

目前，各種傳感器模塊的普及為智能垃圾桶提供了各種擴展功能。通過研究傳統(tǒng)垃圾桶使用中存在的問題，研制了一種新型的智能垃圾桶，這種新型智能垃圾桶能充分利用垃圾桶容積，設(shè)計了滿溢警示功能模塊，并對區(qū)域內(nèi)的垃圾桶進行集中監(jiān)控和管理，建立了智能垃圾回收系統(tǒng)，同時為今后新的功能擴展預(yù)留了接口。

1 系統(tǒng)設(shè)計

使用的Arduino Uno開發(fā)板是一個ATmega328的單片機[4-5]，ATmega328的單片機是一個集成電路，有14個數(shù)字輸入輸出端，其核心處理器是AVR，針腳數(shù)有32個，工作溫度范圍在-40～+85 ℃之間。Arduino Uno開發(fā)板模擬的輸入端口有6個，一個陶瓷晶振16 MHz的、一個與電腦通信的USB連接口、一個電源插口、一個用于通信的ICSP的接口以及一個RESET復(fù)位按鈕。

研制的智能垃圾桶根據(jù)功能有：傳感器模塊、無線通信模塊、壓縮模塊、電源模塊以及接收終端，如圖1所示。其中傳感器模塊相當于智能垃圾桶的“眼睛”和“耳朵”，分別采用了紅外傳感器、濕度傳感器和環(huán)境光傳感器，主要負責采集垃圾桶周邊以及垃圾桶內(nèi)垃圾的信息，并將數(shù)據(jù)傳給上位機，由上位機作相應(yīng)處理。無線通信模塊貫穿了整個智能垃圾桶的通信體系，通過無線通信模塊實現(xiàn)下位機和上位機之間的數(shù)據(jù)通信[6-9]。壓縮模塊是智能垃圾桶的亮點和創(chuàng)新點，采用類似機械臂的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以根據(jù)垃圾桶內(nèi)的垃圾深度對垃圾進行擠壓。接收終端就是PC端，環(huán)衛(wèi)工作人員的一切檢測以及操作基本都是在接收終端完成的，還可以在接收終端遠程實時檢測垃圾桶的狀態(tài)，并且根據(jù)不同的狀態(tài)做出相應(yīng)的處理。電源模塊則為整個系統(tǒng)進行供電。

圖1 智能垃圾桶的模塊組成

2 壓縮模塊工作原理

智能垃圾桶的工作流程是先由傳感器采集如下數(shù)據(jù)：垃圾桶內(nèi)垃圾的深度、垃圾桶蓋的開關(guān)狀態(tài)以及垃圾桶內(nèi)的溫度、濕度等[10]，將采集到的數(shù)據(jù)反饋給ATmega328單片機，由單片機做出判斷，當檢測到垃圾桶深度接近設(shè)定值時，垃圾桶頂蓋上安置的機械臂會控制托盤對垃圾桶內(nèi)的垃圾進行壓縮。當溫度、濕度傳感器檢測到垃圾桶內(nèi)的溫濕度逼近某一個設(shè)定值時，會打開垃圾桶內(nèi)的消毒噴淋裝置或者進行遠端報警，防止高度腐爛的垃圾傳播病菌，污染城市環(huán)境。當外置的系統(tǒng)重置按鈕按下時，系統(tǒng)會重置各模塊的數(shù)值和狀態(tài)，這個功能是為了防止系統(tǒng)進程卡死所設(shè)計的，也可作為緊急制動按鈕使用。如果垃圾桶深度始終接近某一個數(shù)值時，或垃圾的溫、濕度始終逼近某個值時，系統(tǒng)會自動對上位機發(fā)出警示，提醒PC端檢測的環(huán)衛(wèi)工作人員及時處理該垃圾桶。關(guān)于壓縮模塊的流程如圖2所示。

圖2 智能垃圾桶壓縮模塊流程圖

3 硬件設(shè)計

本文研制的智能垃圾桶是由微電腦控制芯片、控制電路、多種傳感器探測裝置、機械傳動部分以及藍牙通信模塊5部分組成。控制電路模塊中采用拍合式電磁鐵來控制垃圾桶蓋的打開與關(guān)閉，當人的手或物體接近投放口時，垃圾桶蓋會自動開啟。整個系統(tǒng)不需要外接電源，用電池供電。

3.1 紅外測距傳感器

采用的紅外測距傳感器DFR0107，將其接入電源并通電時，會處理收集到的數(shù)據(jù)，通過一個線性公式將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成距離值[11]。此紅外測距傳感器的精確范圍在30～9 000 mm。

3.2 環(huán)境光傳感器

本文采用的環(huán)境光傳感器是DFR0026[12]，該環(huán)境光傳感器是一個基于光敏二極管的傳感器，作用為對周圍環(huán)境的光線強度進行檢測，以此與單片機進行互動。環(huán)境光傳感器DFR0026相比于傳統(tǒng)的利用光敏電阻制成的光敏傳感器可靠性更高，靈敏度更好，體積更小，反應(yīng)速度更快。由于傳統(tǒng)的光敏電阻容易被環(huán)境溫度影響，受光照時的反應(yīng)速度不快，而且容易被消耗導(dǎo)致成本變高。在本文中采用環(huán)境光傳感器主要是用來判斷垃圾桶蓋的開關(guān)情況，如果垃圾桶蓋子被打開，環(huán)境光傳感器就能檢測到光照，立刻將可能正在向下壓縮的托盤收回，防止誤傷，同時還能防止將垃圾丟到壓縮托盤上。由于垃圾桶蓋的開關(guān)是瞬時的，因此基于光敏二極管的環(huán)境光傳感器比基于光敏電阻的環(huán)境光傳感器要更適合。

3.3 溫濕度傳感器DHT11

本文采用的溫濕度傳感器DHT11是一個混合型溫濕度傳感器，它包含了校準的數(shù)字信號對外輸出，保證了它的穩(wěn)定性以及可靠性和極高的準確性[13]。因為NTC的測溫元件、感濕元件以及一個極小的8位單片機的加入，控制了這個溫濕度傳感器的成本，也在一定程度上保證了其抗干擾性能和響應(yīng)速度。它本身有3個平行引腳在Arduino開發(fā)板上，連接十分便捷。

在垃圾桶內(nèi)部內(nèi)置了溫濕度傳感器DHT11[13]，實時監(jiān)控垃圾桶內(nèi)垃圾的腐爛情況，一旦垃圾桶內(nèi)溫濕度到達閾值，就會由內(nèi)置在垃圾桶側(cè)壁的噴淋系統(tǒng)對垃圾噴灑消毒液，及時對垃圾進行消毒，杜絕病毒的傳播。噴灑消毒液的同時也會向上位機發(fā)出報警信息，第一時間提醒環(huán)衛(wèi)工作人員對該垃圾桶內(nèi)垃圾進行處理。

3.4 通信模塊

設(shè)計中通過藍牙技術(shù)來建立上位機和Arduino之間的數(shù)據(jù)通信。相比于Wifi通信，藍牙通信在目前的智能設(shè)備中普及面較廣且應(yīng)用范圍大；藍牙成本低；而且藍牙使用起來往往是點對點，因此建立通信十分方便，而Wifi通信無論是成本還是建立通信所需要的AP設(shè)備或是路由器都不適合。此處還有一個功耗問題，同樣的6節(jié)5號電池給Wifi通信模塊供電只能堅持短短幾天[14]，而藍牙通信模塊卻能堅持長達數(shù)周，由于垃圾桶供電模塊的局限性，不采用Wifi通信模塊。設(shè)計中采用的藍牙通信模塊是HC05，HC05本身是類似于電腦一體機的一款藍牙設(shè)備。

3.5 機械結(jié)構(gòu)

菱形折疊機械手臂對于轉(zhuǎn)軸部分的結(jié)構(gòu)要求較高，項目中的方案是上下兩手臂安裝選用相同長度的手臂并使用相同轉(zhuǎn)速的電動機，機械臂在收縮和展開過程中都會占用一定的空間，在方案設(shè)計階段，考慮了折疊功能。該設(shè)計方案中，將菱形折疊機械臂定位3級(n=3)，d2略大于45 cm(材料長度不能隨意取值)。動力系統(tǒng)用2個相同轉(zhuǎn)速的電動機提供相同大小的力矩，齒輪同時帶動機械臂，避免力矩過大。項目中用TowerPro SG90舵做壓縮機械臂的兩個主動軸，通過舵機和硬紙板的連接，模擬出了一個能夠向下壓縮的菱形機械結(jié)構(gòu)，菱形機械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 菱形機械壓縮手臂結(jié)構(gòu)圖

3.6 智能垃圾桶

設(shè)計的智能垃圾桶控制程序分為主程序、等待延時和定時中斷。主程序?qū)t外測距傳感器DFR0107、環(huán)境光傳感器DFR0026、溫濕度傳感器DHT11和震動傳感器等進行管控。智能垃圾桶的制作過程是：硬件安裝(模塊鏈接)；燒錄程序；制作垃圾桶模擬模型。實驗階段為了監(jiān)控顯示效果以及管控結(jié)果，系統(tǒng)中另外加入了I2C LCD1602液晶模塊。上位機軟件(Serial Port Utility)用于實時檢測垃圾桶的狀態(tài)，包括：垃圾桶深度、垃圾桶剩余容量、垃圾桶蓋子開關(guān)與否以及垃圾桶已達警示狀態(tài)，用戶也可通過其來監(jiān)控相關(guān)信息。拓展版串口監(jiān)視器Serial Port Utility和Arduino IDE軟件中自帶的串口監(jiān)視器最大的不同是：它可以將獲得的數(shù)據(jù)通過TXT文件導(dǎo)出，這為后續(xù)推算垃圾流量周期提供了數(shù)據(jù)。

垃圾桶由6節(jié)5號電池供電[15]，用2塊I2C LCD1602液晶模塊來分別顯示垃圾桶的剩余容量、狀態(tài)以及垃圾桶內(nèi)部的溫度、濕度。數(shù)字按鈕模塊用于代替Arduino開發(fā)板上的Reset鍵。數(shù)字紅色LED發(fā)光模塊是用來在托盤壓縮過程中警示環(huán)衛(wèi)工作人員或是丟垃圾的人員注意托盤正在擠壓垃圾，防止被托盤誤傷。

圖4左下角是溫濕度傳感器。圖4中的兩個按鈕分別控制軟重置功能和LCD顯示屏背光功能，藍牙模塊安置在結(jié)構(gòu)正上方的紙板背面，以防外力干擾[16]。

圖4 智能垃圾桶總體結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 語

本文介紹了基于Arduino的智能垃圾桶的設(shè)計理念，設(shè)計了系統(tǒng)的各個模塊：研制的傳感器模塊、無線通信模塊、機械壓縮結(jié)構(gòu)模塊以及接收終端和電源模塊。智能垃圾桶能有效地利用垃圾桶的容積，對垃圾桶內(nèi)的多種數(shù)據(jù)實現(xiàn)有效監(jiān)控，減輕工人的勞動強度，提高環(huán)境衛(wèi)生水平。理清模塊與模塊間的邏輯關(guān)系，闡明了設(shè)計理念和思路。為了防止系統(tǒng)進程鎖死，在系統(tǒng)中寫入了一個軟重置代碼，并將按鈕做在了垃圾桶頂蓋上，方便非專業(yè)人員使用。使用的軟件是一個外掛軟件，主要用于數(shù)據(jù)的接收、存儲以及導(dǎo)出。