基于ARM架構(gòu)智能引導(dǎo)垃圾分類回收站的設(shè)計(jì)與分析

張馳 張紅妍 孫涵

摘 ? 要：隨著人們生活中每天都產(chǎn)生大量的生活垃圾，垃圾分類處理勢(shì)在必行。但是當(dāng)下總會(huì)暴露出垃圾分類無效、人們分類意識(shí)低、分類后的垃圾得不到有效的處理等問題。針對(duì)這些問題本文提出了一種在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加持下基于ARM架構(gòu)的智能引導(dǎo)垃圾分類回收機(jī)制，取代了原有的傳統(tǒng)垃圾回收機(jī)制，提高了人們的分類意識(shí)、垃圾分類回收的利用率。

關(guān)鍵詞：垃圾分類 ?物聯(lián)網(wǎng) ?智能回收

中圖分類號(hào)：X705 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（b）-0104-03

Abstract： With the daily production of a large number of household garbage， garbage classification is imperative. But at present， there are always some problems， such as invalid garbage classification， low classification awareness， and ineffective disposal of classified garbage. In order to solve these problems， this paper proposes an intelligent guided garbage sorting and recycling mechanism based on ARM architecture under the support of Internet of things technology， which replaces the traditional garbage recycling mechanism and improves people's classification awareness and garbage sorting and recycling utilization rate.

Key Words： Refuse classification;Internet of things;Intelligent recovery

隨著人類社會(huì)文明的發(fā)展與進(jìn)步，人們生活中每天都會(huì)產(chǎn)生大量的垃圾。而這些垃圾卻像是存在于人們生活中的一個(gè)定時(shí)炸彈，時(shí)時(shí)困擾著人們的生活。每一代城市的領(lǐng)導(dǎo)者都無不思考著如何解決這一問題。而如今這個(gè)問題卻遲遲未能得到很好的解決。隨著城鄉(xiāng)居民生活水平的不斷提高。日常分類垃圾處理的問題受到人們廣泛的關(guān)注。當(dāng)前，我國(guó)城市每年產(chǎn)生上億噸的生活垃圾，人均產(chǎn)生的垃圾量約近百公斤，而且增長(zhǎng)勢(shì)頭不減，近幾年正在飛速的增長(zhǎng)中。

據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)的大多數(shù)城市近三分之二都是被垃圾所“包圍”，嚴(yán)重威脅了人們的生活質(zhì)量。而其中存在一個(gè)很大的問題是，人們?cè)谌粘Ｉ钪胁荒苡行У倪M(jìn)行垃圾分類，從而導(dǎo)致垃圾的回收與擺放臟亂無序，街道上到處存在垃圾。

而本文就這一問題進(jìn)行了深入研究，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一套基于ARM架構(gòu)的針對(duì)垃圾回收分類的系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)分類垃圾箱，替代傳統(tǒng)回收方式，使城市傳統(tǒng)臟亂的垃圾回收站減少;培養(yǎng)人們環(huán)保意識(shí)，使更多的人參與到垃圾分類處理的事業(yè)中來;減少我國(guó)垃圾對(duì)空氣環(huán)境的污染，讓人類社會(huì)更加綠色、環(huán)保。

1 ?硬件設(shè)計(jì)

智能分類回收垃圾箱主要投放在人們?nèi)粘Ｉ钪械闹饕矆?chǎng)所，是一款能夠幫助人們有意識(shí)的對(duì)垃圾進(jìn)行分類投擲，并且通過根據(jù)所投放垃圾的價(jià)值進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)的分類回收垃圾箱。其主要功能包括用戶交互、投放監(jiān)控、投放檢測(cè)、日常運(yùn)維。箱體機(jī)械部分主要包含紅外檢測(cè)模塊、高度檢測(cè)模塊、舵機(jī)模塊、電源模塊、自動(dòng)開光蓋機(jī)械模塊等其他主要部件有限元模塊。整體將采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)App—機(jī)器—網(wǎng)絡(luò)之間的交互性操作。單片機(jī)獲取事時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用算法加密通過LTE網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器。

智能分類回收垃圾箱通過實(shí)現(xiàn)箱體和人們的手機(jī)終端等設(shè)備的相互連接，將數(shù)據(jù)上傳到云端，通過投放檢測(cè)等功能實(shí)現(xiàn)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，再相關(guān)傳感器提示運(yùn)維人員對(duì)垃圾箱進(jìn)行定期清理，將分類好的垃圾廢物移交給相關(guān)廢品處理機(jī)構(gòu)進(jìn)行綠色回收再利用等工作。箱體操作流程如圖1所示。

2 ?智能引導(dǎo)垃圾分類回收站系統(tǒng)架構(gòu)

智能引導(dǎo)垃圾分類回收站的系統(tǒng)架構(gòu)由微信小程序端、后臺(tái)管理中心、云服務(wù)器、垃圾箱箱體掃碼開箱鎖組成。微信小程序端主要負(fù)責(zé)面向用戶界面的交互，完成客戶端的功能。因?yàn)槲⑿判〕绦蚓哂锌缙脚_(tái)、流量大、成本低、輕應(yīng)用、高體驗(yàn)的特點(diǎn);后臺(tái)管理中心主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)更新維護(hù)文本、視頻等信息，信息通過信息中心推送到智能終端，最后實(shí)現(xiàn)個(gè)體用戶與智能終端之間的交互、瀏覽文本等信息的功能;云服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)控計(jì)算平臺(tái)，為管理人員與小程序端提供服務(wù)，響應(yīng)用戶與管理人員的操作;垃圾箱箱體掃碼開箱鎖內(nèi)部可集成GPS系統(tǒng)和帶有SIM卡。從而實(shí)現(xiàn)箱體所在位置和鎖的狀態(tài)傳輸給云端。經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)連接，可以實(shí)現(xiàn)用戶與箱體和箱體與箱體間的對(duì)話與溝通。該系統(tǒng)框架如圖2所示。系統(tǒng)的功能流程如圖3所示。

3 ?智能引導(dǎo)垃圾分類回收站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 用戶權(quán)限模塊

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是：用戶使用微信小程序通過掃碼與垃圾箱取得聯(lián)系->開箱->投擲->箱體對(duì)投擲的物品進(jìn)行初步檢測(cè)->關(guān)箱->通過服務(wù)器反饋的信息對(duì)用戶投擲的結(jié)果進(jìn)行反饋->服務(wù)器響應(yīng)用戶使用記錄并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。期間管理員需要定期對(duì)不同分類垃圾箱進(jìn)行定期收集以及清理，清潔與運(yùn)輸，最后進(jìn)行后期處理。因此本系統(tǒng)的用戶權(quán)限管理模塊如圖4所示。分為普通用戶和管理員，分別對(duì)垃圾分類投擲、視頻監(jiān)控管理、垃圾分類檢測(cè)、二維碼與積分查詢服務(wù)、清潔維護(hù)服務(wù)進(jìn)行有效的控制和管理。

3.2 系統(tǒng)管理后臺(tái)模塊

用戶管理與安全校驗(yàn)?zāi)K：管理用戶各類信息、用戶權(quán)限、安全校驗(yàn)等。

投遞檢測(cè)模塊：通過配合各類攝像頭及傳感器記錄每個(gè)用戶的投擲時(shí)間、投擲次數(shù)、投擲垃圾的類別等情況。

積分管理模塊：記錄每個(gè)用戶的積分情況與賞金的獲取及兌換記錄。

垃圾箱監(jiān)控模塊：監(jiān)控垃圾箱的投擲數(shù)量、破損情況、運(yùn)維情況、滿箱情況等。

二維碼應(yīng)用模塊：小程序通過實(shí)時(shí)更新二維碼與箱體的識(shí)別攝像頭進(jìn)行交互，并收集掃碼記錄等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)同步模塊：將數(shù)據(jù)采集、檢索、存儲(chǔ)、查詢等情況同步到服務(wù)器上，并對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)行實(shí)時(shí)同步更新。

3.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的垃圾分類回收設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的垃圾分類回收體系物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)劃分為三個(gè)層：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層、感知層。

應(yīng)用層：是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與相關(guān)拓展領(lǐng)域相結(jié)合，比如城市管理、環(huán)境檢測(cè)、公共安全、智能交通等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過應(yīng)用層最終實(shí)現(xiàn)行業(yè)專業(yè)技術(shù)與信息技術(shù)的深度結(jié)合。

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層：該層包括管理中心、決策分析、信息中心、專家系統(tǒng)等對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、傳輸、調(diào)度、智能處理。

感知層：又稱為傳感器層，主要包括傳感器、RFID讀寫器和標(biāo)簽、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)等。這一層主要針對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行感知、識(shí)別與處理，并通過相關(guān)傳感器采集信息?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的垃圾分類回收系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖5所示。

3.4 端口設(shè)計(jì)

云端：云服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)控計(jì)算平臺(tái)，為管理人員與小程序端提供服務(wù)，響應(yīng)用戶與管理人員的操作。小程序發(fā)送HTTP請(qǐng)求到云服務(wù)器，解析云服務(wù)器返回的JSON數(shù)據(jù)，下發(fā)藍(lán)牙控制信息，經(jīng)箱體藍(lán)牙MCU處理后，最終達(dá)到垃圾箱體門的開閉功能。藍(lán)牙箱體鎖也可通過串口向藍(lán)牙模塊輸出藍(lán)牙信息，小程序響應(yīng)藍(lán)牙信息，最終實(shí)現(xiàn)小程序端與硬件控制部分的雙向通信。

用戶端與箱體端：用戶在注冊(cè)登錄成功后，進(jìn)入掃碼界面;打開手機(jī)藍(lán)牙，匹配箱體藍(lán)牙，終端后臺(tái)將用戶反饋信息和垃圾箱的反饋信息上傳到云服務(wù)器;用戶點(diǎn)擊開始掃碼使用垃圾箱，云服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，記錄用戶信息和垃圾箱信息，并返回開箱密鑰給小程序端，通過藍(lán)牙與箱體通信打開箱體。當(dāng)箱體關(guān)閉后，藍(lán)牙將已鎖狀態(tài)發(fā)送給小程序端，小程序界面結(jié)束使用箱體，若中途斷開藍(lán)牙，則結(jié)束使用箱體后界面無法進(jìn)行操作。

垃圾箱的箱體開鎖內(nèi)部可集成GPS系統(tǒng)和帶有SIM卡。從而實(shí)現(xiàn)箱體所在位置和鎖的狀態(tài)傳輸給云端。所謂SIM卡它屬于物聯(lián)網(wǎng)SIM卡，它是通過裝置在各類物體上的SIM卡，經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)連接，從而實(shí)現(xiàn)人與物體和物體與物體間的溝通和對(duì)話。

3.5 數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)層主要包括三個(gè)部分：垃圾桶滿箱狀態(tài)響應(yīng)、管理員數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、環(huán)衛(wèi)相關(guān)工作人員決策分析。垃圾桶滿箱狀態(tài)響應(yīng)主要負(fù)責(zé)對(duì)垃圾桶上報(bào)的滿箱或者處理異常做出相應(yīng)響應(yīng);管理員數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則負(fù)責(zé)保存垃圾箱歷史處理記錄信息、垃圾箱管理員部署環(huán)衛(wèi)工人信息以及用戶使用記錄信息;環(huán)衛(wèi)相關(guān)工作人員決策分析負(fù)責(zé)整個(gè)垃圾箱涉及范圍之內(nèi)的環(huán)衛(wèi)維護(hù)數(shù)據(jù)等，由環(huán)衛(wèi)工作提出建議與決策，供管理人員和環(huán)衛(wèi)相關(guān)工作人員參考。

數(shù)據(jù)層用于接收各個(gè)垃圾箱往云端上傳的數(shù)據(jù)信息。一般垃圾箱的工作狀態(tài)有兩種：第一是正常工作狀態(tài)，則及時(shí)更新垃圾箱工作狀態(tài)表。第二種是工作異常狀態(tài)，比如出現(xiàn)滿箱、感知層無法感知即垃圾箱工作狀態(tài)異常等情況。這個(gè)時(shí)候后臺(tái)管理中心將從云端收獲到垃圾箱的異常信息，從而及時(shí)通知相關(guān)負(fù)責(zé)該區(qū)域的環(huán)衛(wèi)工人進(jìn)行處理。利用垃圾箱的工作狀態(tài)表、垃圾箱部署位置信息與環(huán)衛(wèi)工人運(yùn)維信息采用數(shù)據(jù)挖掘算法，為管理員做出決策提供參考。

4 ?結(jié)語

本文針對(duì)城市垃圾問題，提出了基于ARM架構(gòu)的智能引導(dǎo)垃圾分類回收站，有效的解決了垃圾浪費(fèi)和人們分類投擲垃圾的不自覺性等問題。利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，取代傳統(tǒng)分類垃圾箱，替代傳統(tǒng)回收方式，使城市傳統(tǒng)臟亂的垃圾回收站減少;培養(yǎng)人們環(huán)保意識(shí)，讓更多的人參與到推動(dòng)人們有意識(shí)進(jìn)行垃圾分類的事業(yè)中來;減少我國(guó)垃圾對(duì)空氣環(huán)境的污染，讓人類社會(huì)更加綠色、環(huán)保。在互聯(lián)網(wǎng)加持下使分類垃圾回收機(jī)構(gòu)朝著合理、干凈、機(jī)械化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 付建麗，李炳俊.優(yōu)化垃圾處理技術(shù)加強(qiáng)環(huán)衛(wèi)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2009，17（4）：37.

[2] 葉志祥.智能分類垃圾箱設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)資源綜合利用，2019，37（4）.

[3] 周鵬.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用研究[J].科學(xué)與信息化，2019（5）.

[4] 陳琳，任芳.基于Python的新浪微博數(shù)據(jù)爬蟲程序設(shè)計(jì)[J].信息系統(tǒng)工程，2016（9）：97-99.

[5] 王振武.數(shù)據(jù)挖掘算法原理與實(shí)現(xiàn)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[6] 鄭阿奇，梁敬東，朱毅華，等.C#程序設(shè)計(jì)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[7] 李秀麗，周明遠(yuǎn)，樊麗，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的城市垃圾分類回收系統(tǒng)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2014，40（7）：64-66.