基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾箱管理系統(tǒng)

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

引言：近些年來隨著人們生活水平逐步提高，人們對(duì)于自己周邊的生活環(huán)境的關(guān)注度也愈來愈高，在此情況下，街道周邊的垃圾箱問題，就成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，每次投放垃圾時(shí)，垃圾箱不是滿溢就是蒼蠅亂飛、臭味撲鼻，這種狀況不僅十分的影響人們的心情，同時(shí)也在污染著周邊的環(huán)境，垃圾箱滿溢的情況下，垃圾堆積在垃圾箱旁邊，或者四散在周圍，傳統(tǒng)城市垃圾箱成為城市環(huán)境保護(hù)中的癬疥之疾，成為許多城市環(huán)境衛(wèi)生治理人員的心頭病。

在這種情況下，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾箱管理系統(tǒng)，就顯得十分的必要了，智能垃圾箱管理系統(tǒng)中的硬件部分—智能垃圾箱采用了封閉式的管理，這樣垃圾箱內(nèi)垃圾的異味就不會(huì)散發(fā)出來，而當(dāng)有人靠近垃圾箱時(shí)，垃圾箱蓋會(huì)自動(dòng)打開，實(shí)現(xiàn)無接觸式的垃圾丟棄，同時(shí)垃圾箱的滿溢提醒設(shè)計(jì)，最大程度上解決了垃圾箱堆滿溢出，污染環(huán)境、影響市容的問題。

智能垃圾箱管理系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)，為城市環(huán)衛(wèi)調(diào)度以及城市垃圾箱定點(diǎn)合理規(guī)劃投放提供了可能性，系統(tǒng)的PC管理終端起到了良好的監(jiān)管調(diào)度作用，系統(tǒng)的Android客戶端起到了提醒及供個(gè)人查看的作用，系統(tǒng)的云端數(shù)據(jù)庫起到了大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的作用，云端數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)主要用以時(shí)間較長的數(shù)據(jù)分析，三者協(xié)同作用與城市各個(gè)街道安置的智能垃圾箱共同構(gòu)成了智能垃圾箱管理系統(tǒng)，以最徹底、最高效、最智能化的方案解決了傳統(tǒng)垃圾箱給城市帶來的諸多問題。

1 智能垃圾箱管理系統(tǒng)的優(yōu)勢和整體結(jié)構(gòu)

1.1 智能垃圾箱管理系統(tǒng)的優(yōu)勢

第一，智能垃圾箱在便捷性和環(huán)境友好程度上要超過傳統(tǒng)的垃圾箱，智能垃圾箱擁有優(yōu)于傳統(tǒng)垃圾箱的自動(dòng)開蓋功能，這樣當(dāng)人們?nèi)永臅r(shí)候，就可以實(shí)現(xiàn)無接觸式的丟棄垃圾，干凈衛(wèi)生又便捷，另外不同于傳統(tǒng)垃圾箱露天式擺放，智能垃圾箱在不使用的時(shí)候是關(guān)閉的，避免了垃圾箱內(nèi)部垃圾味道散發(fā)出來，最大程度上降低了垃圾箱對(duì)于周邊環(huán)境的影響。

第二，智能垃圾箱在衛(wèi)生程度上要優(yōu)于傳統(tǒng)的垃圾箱，傳統(tǒng)的垃圾箱存在因?yàn)榍謇聿患皶r(shí)，造成垃圾箱內(nèi)的垃圾腐臭，垃圾箱外的垃圾堆砌污染垃圾箱外壁的情況，而智能垃圾箱則不存在這個(gè)情況，因?yàn)橹悄芾鋵?shí)時(shí)處于監(jiān)控和垃圾箱自身反饋的狀態(tài)下，不存在長時(shí)間不清理甚至滿溢的情況。

第三，更加的智能化和科學(xué)化，智能垃圾箱在自身滿溢或者將要滿溢的時(shí)候，會(huì)發(fā)送相關(guān)信息給系統(tǒng)云端，系統(tǒng)的PC管理終端可以及時(shí)聯(lián)系垃圾箱清理人員清理垃圾箱垃圾，同時(shí)也可以在終端看到在線的所有垃圾箱的實(shí)時(shí)狀況，在智能垃圾箱滿溢反饋之前，提前一步通知垃圾箱清理人員進(jìn)行清理，整套系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，相較于傳統(tǒng)的垃圾箱管理工作而言，充分的體現(xiàn)了智能垃圾箱系統(tǒng)的智能化和科學(xué)化。

第四，能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足，智能垃圾箱能量供給上采用的是太陽能電池板和蓄電池組協(xié)同作用蓄電供電機(jī)制，再加上對(duì)整個(gè)智能垃圾箱個(gè)體而言，用電量不算大，智能垃圾箱自身收集的電量足夠自身使用。

此外智能垃圾箱管理系統(tǒng)在合理的應(yīng)用下，是可以產(chǎn)生較為客觀的經(jīng)濟(jì)效益的，而智能垃圾箱管理系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，足以維持智能垃圾箱管理系統(tǒng)的維護(hù)和管理工作正常進(jìn)行。

1.2 智能垃圾箱管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能垃圾箱管理系統(tǒng)共分為兩大部分，分別為智能垃圾箱硬件部分以及軟件部分，智能垃圾箱管理系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示，智能垃圾箱管理系統(tǒng)的硬件部分，整體來看，就是安置在城市各個(gè)街道的智能化垃圾箱，而一個(gè)智能垃圾箱又分別由紅外感應(yīng)模塊、超聲波探測模塊、火災(zāi)報(bào)警模塊、核心處理模塊、太陽能蓄電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成，智能化垃圾箱六個(gè)模塊共同作用，共同完成垃圾箱垃圾深度自動(dòng)探測，有人靠近自動(dòng)開蓋，人離去自動(dòng)關(guān)閉，垃圾箱滿溢自動(dòng)提醒等智能化功能。

在智能垃圾箱管理系統(tǒng)軟件部分系統(tǒng)PC管理終端上，管理人員可以實(shí)時(shí)的看到城市垃圾箱的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，垃圾箱負(fù)載情況如何、是否滿溢或者是將要滿溢、是否出現(xiàn)故障或者火情等等。而當(dāng)城市垃圾箱出現(xiàn)狀況的時(shí)候，系統(tǒng)PC管理終端會(huì)收到相應(yīng)垃圾箱反饋的警報(bào)信息，Android客戶端也可接受相關(guān)提醒消息，進(jìn)行下一步處理。

圖1 智能垃圾箱管理系統(tǒng)整體示意圖

智能垃圾箱云端可以大量的存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，智能垃圾箱終端管理人員可以根據(jù)云端數(shù)據(jù)庫一段時(shí)間內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)某條街道或者是某個(gè)區(qū)域的垃圾箱數(shù)量以及垃圾箱清理人員進(jìn)行調(diào)配，例如，同樣時(shí)間內(nèi)，某區(qū)域垃圾箱滿溢次數(shù)多，可以向該區(qū)域多投放垃圾箱并且向該區(qū)域增加垃圾箱清理人員，某區(qū)域垃圾箱滿溢次數(shù)少，可以適當(dāng)?shù)臏p少垃圾箱的投放數(shù)量，同樣也可以相應(yīng)的減少垃圾箱清理人員數(shù)量。

2 智能垃圾箱管理系統(tǒng)硬件部分相關(guān)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分總共可以分為六個(gè)模塊，分別為紅外感應(yīng)模塊、超聲波探測模塊、火災(zāi)報(bào)警模塊、核心處理模塊、太陽能蓄電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

2.1 紅外感應(yīng)模塊

紅外感應(yīng)模塊這里選用的是HC-SR501模塊，如圖2所示，主要用于感應(yīng)是否有人靠近垃圾箱，當(dāng)有人在探測距離內(nèi)靠近垃圾箱時(shí)，紅外感應(yīng)模塊傳輸信號(hào)給核心處理模塊中的單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行響應(yīng)，通過驅(qū)動(dòng)芯片（ULN2003）驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，完成垃圾箱的開蓋動(dòng)作，當(dāng)紅外感應(yīng)模塊感應(yīng)到人離開時(shí)，同樣傳輸一個(gè)信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)在延時(shí)后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)倒轉(zhuǎn)，完成垃圾箱的關(guān)閉動(dòng)作。

2.2 超聲波探測模塊

超聲波探測模塊這里選用了HC-SR04超聲波測距模塊，探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要應(yīng)用于垃圾箱內(nèi)垃圾高度的測量，超聲波測距傳感器工作原理是由垃圾箱頂端向垃圾箱內(nèi)發(fā)射超聲波，當(dāng)發(fā)出的聲波碰到阻礙垃圾的時(shí)候，聲波會(huì)反射回來，被超聲波測距傳感器的聲波接收探頭接收，從而實(shí)現(xiàn)超聲波測距模塊對(duì)于垃圾箱內(nèi)垃圾高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)垃圾箱內(nèi)垃圾將滿或者已經(jīng)滿溢的時(shí)候，主動(dòng)向管理系統(tǒng)PC端發(fā)送垃圾箱滿溢消息，以便垃圾箱能夠盡快的被清理，再次投入使用，從而提高垃圾箱使用效率。

圖2 人體紅外感應(yīng)模塊hc-sr501

圖3 超聲波測距傳感器原理圖

2.3 火災(zāi)報(bào)警模塊

火災(zāi)報(bào)警模塊在智能垃圾箱系統(tǒng)中，屬于預(yù)防和保護(hù)模塊，在日常垃圾丟棄時(shí)，難以避免會(huì)有類似于煙頭等可燃物被不小心丟進(jìn)了垃圾箱，這將會(huì)造成垃圾箱內(nèi)物體燃燒，甚至?xí)紵龘p壞垃圾箱部件，甚至?xí)饎萋右l(fā)火災(zāi)，因此預(yù)防是十分必要的，此外，相較于傳統(tǒng)的垃圾箱而言，智能垃圾箱制造成本也相對(duì)更高，火焰引起的高溫容易造成垃圾箱零部件的損壞，因此合理的自我保護(hù)是十分必要的，火災(zāi)報(bào)警模塊主要由煙霧傳感器和核心處理模塊一部分構(gòu)成，分別用到煙霧傳感器、單片機(jī)以及通信模塊，煙霧傳感器通過通信模塊將火情信號(hào)發(fā)送給系統(tǒng)PC管理終端，系統(tǒng)PC管理終端將相關(guān)情況通知該垃圾箱附近工作人員，工作人員前去滅火救援。

2.4 核心處理模塊和通信模塊

核心處理模塊是整個(gè)智能垃圾箱系統(tǒng)硬件部分的核心模塊，是整個(gè)垃圾箱的大腦，核心處理模塊功能的實(shí)現(xiàn)依靠的是單片機(jī)，此處選用的單片機(jī)為STC89C52單片機(jī)，引腳原理圖如圖4所示，STC89C52單片機(jī)對(duì)其余各模塊進(jìn)行管理控制，從而保證垃圾箱具體功能的實(shí)現(xiàn)，通信模塊保證智能垃圾箱信息反饋機(jī)制正常工作，從而實(shí)現(xiàn)智能垃圾箱“聯(lián)網(wǎng)”的功能，智能垃圾箱可以通過通信模塊部分，將自身狀況發(fā)送給終端，終端根據(jù)通信模塊發(fā)送過來的信息判斷垃圾箱的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能垃圾箱聯(lián)網(wǎng)可視化管理。

圖4 STC89C52單片機(jī)引腳原理圖

通信模塊對(duì)于諸多街道智能垃圾箱的主要應(yīng)用是ZigBee自組網(wǎng)，ZigBee模塊外接5DB天線的自組網(wǎng)一般最遠(yuǎn)的傳輸距離為二百米到二百五十米，而根據(jù)調(diào)查顯示目前我國街道垃圾箱密度大概為每一百五十米左右一個(gè)，因此ZigBee傳輸距離足夠，可以實(shí)現(xiàn)城市街道之間垃圾箱的自組網(wǎng)功能，具體示意圖如圖5所示，每一個(gè)垃圾箱都是一個(gè)ZigBee傳輸節(jié)點(diǎn)，可以采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也靈活多樣，可以采用樹形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，樹形結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢明顯，每天道路之間垃圾箱組網(wǎng)情況條理清晰，但是壞處也顯而易見，一旦某個(gè)垃圾箱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，就可能導(dǎo)致樹上的某個(gè)分支的垃圾箱全部無法工作，所以多方比較之下，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加適合我們垃圾箱組網(wǎng)要求，再加上ZigBee模塊成本低且具備很高的穩(wěn)定性，同時(shí)功耗極低，正適用于城市內(nèi)街道智能垃圾箱的通信，進(jìn)行相關(guān)信息的傳輸。

圖5 智能垃圾箱ZigBee自組網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸原理圖

2.5 太陽能蓄電模塊

太陽能蓄電模塊主要包括了垃圾箱上覆蓋的太陽能蓄電電池板以及埋藏在整個(gè)垃圾箱下方的垃圾箱蓄電池，智能垃圾箱在外界有光且光照情況較強(qiáng)的時(shí)候進(jìn)行蓄電，垃圾箱內(nèi)的蓄電池用于儲(chǔ)存智能垃圾箱使用不了的電量，以用作沒有陽光的夜晚或者是陰天的情況下智能垃圾箱的供電工作，此外底部的蓄電池箱可以作為對(duì)于智能垃圾箱的一個(gè)保護(hù)裝置，因?yàn)樾铍姵匾戎悄芾渎竦母睿瑫r(shí)也比垃圾箱更為沉重，因此可以用做垃圾箱的固定裝置，這樣就能夠在一定程度上保證垃圾箱不被移動(dòng)，從而一定程度上保證垃圾箱不被破壞，智能垃圾箱外觀設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 智能垃圾箱3D外觀圖

2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，主要采用的是步進(jìn)電機(jī)，而步進(jìn)電機(jī)主要實(shí)現(xiàn)的功能則是驅(qū)動(dòng)垃圾箱的開蓋和關(guān)閉功能，選擇步進(jìn)電機(jī)主要是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)自身的優(yōu)越性，步進(jìn)電機(jī)支持短時(shí)間內(nèi)的驟然轉(zhuǎn)動(dòng)和驟然停止，這一特性毫無疑問對(duì)于垃圾箱的開蓋十分關(guān)鍵，因?yàn)槔涫褂谜咄斗爬鴷r(shí)間較短，一般情況下給垃圾箱開蓋的準(zhǔn)備時(shí)間是從人進(jìn)入紅外感應(yīng)模塊探測范圍之內(nèi)的一到兩秒時(shí)間，這種情況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇上，步進(jìn)電機(jī)就顯現(xiàn)出來無比強(qiáng)大的優(yōu)越性。

3 智能垃圾箱管理系統(tǒng)軟件部分相關(guān)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括了云端、PC管理終端以及Android客戶端三部分。

3.1 云端

云端主要用于采集和存儲(chǔ)來自智能垃圾箱的數(shù)據(jù)，并提供WEB網(wǎng)站服務(wù)，以供PC管理端通過網(wǎng)頁形式訪問智能垃圾箱相關(guān)數(shù)據(jù)。此處云端數(shù)據(jù)庫使用的是華為云數(shù)據(jù)庫，以便于系統(tǒng)PC管理終端隨時(shí)對(duì)歷史相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取分析。此處使用的網(wǎng)站使用ASP.NET開發(fā)，使用IIS進(jìn)行發(fā)布，如圖7所示。

圖7 云端IIS設(shè)置

具體使用場景有，系統(tǒng)PC管理終端可以調(diào)取云端數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)，對(duì)垃圾箱的投放狀況進(jìn)行分析，智能垃圾箱容易滿溢的地方，多投放一些垃圾箱，多調(diào)配一些垃圾箱清理人員，不容易滿溢的地方，則相應(yīng)的減少智能垃圾箱的投放，少分配垃圾箱清理人員，從而避免資源浪費(fèi)；另外足夠長時(shí)間內(nèi)，某區(qū)域垃圾箱滿溢次數(shù)多的情況下，將意味著該區(qū)域人流或者人居住密度較大，可以分析出更多的問題來，或可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益；另外可以根據(jù)長期數(shù)據(jù)，分析垃圾箱的故障率，故障率較高區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)管，了解高故障率實(shí)情，從而保證智能垃圾箱的正常運(yùn)行。

3.2 PC管理終端

PC管理終端主要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)于所有“聯(lián)網(wǎng)”智能垃圾箱總體的管理，系統(tǒng)正常工作期間，系統(tǒng)PC管理終端將從云端接收智能垃圾箱反饋的信息，反饋的信息一般分為兩類，第一類是垃圾箱的滿溢的信號(hào)，當(dāng)PC管理終端收到這個(gè)信號(hào)的時(shí)候，會(huì)通過云端給系統(tǒng)Android客戶端發(fā)送信息，通知垃圾箱清理人員前去清理垃圾箱，第二類則為報(bào)警信號(hào)，一般為某個(gè)垃圾箱因?yàn)槲粗虺霈F(xiàn)狀況，例如火情警報(bào)，這種情況下燃燒的煙霧會(huì)導(dǎo)致智能垃圾箱報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)PC管理終端收到垃圾箱火情報(bào)警的信號(hào)的時(shí)候，立即通知垃圾箱就近的垃圾箱清理人員前去撲滅可燃物，及時(shí)滅火止損，系統(tǒng)PC管理終端模擬構(gòu)造圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)PC管理終端模擬構(gòu)造圖

另外就是智能垃圾箱管理系統(tǒng)PC端管理員可以通過系統(tǒng)PC管理終端查看整個(gè)城市的垃圾箱的狀態(tài)，除了可以由垃圾箱自身監(jiān)測滿溢之外，系統(tǒng)PC管理終端管理人員還可以通過人為的方式，對(duì)垃圾箱的狀態(tài)進(jìn)行管理，監(jiān)測垃圾箱狀態(tài)，及時(shí)的對(duì)垃圾箱清理人員進(jìn)行調(diào)度，另外因?yàn)槔洳捎玫氖荶igBee自組網(wǎng)的方式傳輸信息的，那么當(dāng)某個(gè)垃圾箱部分功能喪失的時(shí)候，就可能出現(xiàn)自組網(wǎng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障，信息無法進(jìn)行傳輸，可能是某個(gè)垃圾箱長時(shí)間未發(fā)送信息，也可能是垃圾箱電池報(bào)廢，智能垃圾箱直接“掉線”，這在系統(tǒng)PC管理終端都可以看的出來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于城市智能垃圾箱的科學(xué)化的管理。

在整個(gè)過程中，智能垃圾箱的相關(guān)信息，都會(huì)傳到系統(tǒng)的云端數(shù)據(jù)庫，云端數(shù)據(jù)庫將相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便于PC管理終端后期的管理監(jiān)控。

3.3 Android客戶端

Android端實(shí)現(xiàn)的主要功能分別為通知和查看功能，通知功能為接收云端信息，對(duì)于自己負(fù)責(zé)的智能垃圾箱進(jìn)行滿溢清理以及滅火等突發(fā)狀況的處理。

通知功能顯示為文字形式，具體如圖9所示，但是考慮到目前垃圾箱清理人員組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有較為年輕的從業(yè)者同時(shí)也有年紀(jì)較大的從業(yè)者，Android客戶端根據(jù)使用者的認(rèn)證進(jìn)行識(shí)別，年輕從業(yè)者和老年從業(yè)者可以選擇文字和語音播報(bào)形式接收通知，但是高齡從業(yè)者默認(rèn)開通手機(jī)息屏狀態(tài)下語音播報(bào)功能，從而起到及時(shí)提醒的作用。

圖9 系統(tǒng)Android客戶端模擬構(gòu)造圖

查看功能則是實(shí)現(xiàn)了用戶在Android客戶端可以人為的查看自己負(fù)責(zé)的區(qū)域內(nèi)的垃圾箱的狀態(tài)，提醒界面圖形化、百分比化、數(shù)字化，使用者可以在一個(gè)地方，查看自己整片負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)垃圾桶狀況，實(shí)現(xiàn)個(gè)人終端管理，更加便捷的同時(shí)也避免了體力浪費(fèi)。

4 結(jié)語

隨著近些年來智能科技的高速發(fā)展，智能化的生活和智能化的城市建設(shè)，將成為未來智能化中國建設(shè)的重要一環(huán)，而如今面臨的傳統(tǒng)垃圾箱的各種問題，利用智能化的手段去解決這個(gè)問題，是一種迎合時(shí)代發(fā)展要求的做法，智能垃圾箱管理系統(tǒng)，智能硬件部分解決了傳統(tǒng)垃圾箱的諸多弊病，軟件部分實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代要求的數(shù)據(jù)化以及可視化管理，使垃圾箱管理更加條理、更加方便、同時(shí)也更加智能化，適應(yīng)了人民的真實(shí)需求，本文基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾箱設(shè)計(jì)主要是提供了一種能夠解決問題，并且適應(yīng)當(dāng)下需求的可行性設(shè)計(jì)。

而在解決了城市街道傳統(tǒng)垃圾箱諸多弊端的同時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾箱管理系統(tǒng)在某種意義上來講也可以帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，除了應(yīng)用于城市街道之外，智能垃圾箱管理系統(tǒng)同樣可以應(yīng)用于住宅樓社區(qū)、或者向城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域進(jìn)行推廣，應(yīng)用于住宅小區(qū)主要是對(duì)接物業(yè)，收取智能垃圾箱系統(tǒng)使用費(fèi)用以及后期的維護(hù)費(fèi)用，而對(duì)接城鄉(xiāng)結(jié)合部分或者是下鄉(xiāng)，智能垃圾箱管理系統(tǒng)的出售或者是落實(shí)者，將需要提供相應(yīng)服務(wù)或更多的增值服務(wù)，因此智能垃圾箱可以創(chuàng)造的效益無論是潛在的還是深層次的利益都無比巨大的，前景光明。