一種垃圾箱容量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王楠，段學(xué)習(xí)，孫玉軍

（滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北滄州，061000）

0 引言

目前，在垃圾箱的使用、清理和監(jiān)管等環(huán)節(jié)，主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：一、某些區(qū)域用戶或路人需要扔垃圾，但看到垃圾箱已滿后，不能找到附近較空較近的垃圾箱，在這種情況下可能會(huì)亂扔垃圾。這樣不僅會(huì)污染周邊環(huán)境，也增加了清潔人員的打掃負(fù)擔(dān)；二、對(duì)于垃圾數(shù)量較少的垃圾箱與垃圾數(shù)量較多甚至常常滿溢的垃圾箱，清潔人員的清理頻率相差無(wú)幾，導(dǎo)致清理工作頻率高、負(fù)擔(dān)重但是效果卻不佳；三、衛(wèi)生監(jiān)管部門(mén)無(wú)法知道整個(gè)城市或區(qū)域內(nèi)的垃圾分布量多少的信息，導(dǎo)致垃圾箱布局規(guī)劃的不合理甚至造成資源浪費(fèi)。

本設(shè)計(jì)中的垃圾箱基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)，利用單片機(jī)為主控芯片，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)垃圾箱體內(nèi)剩余垃圾容量并上傳后臺(tái)數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一調(diào)度，對(duì)于區(qū)域用戶或路人扔垃圾可以就近提醒較空垃圾箱的位置信息，對(duì)于垃圾箱清理不及時(shí)的情況實(shí)時(shí)報(bào)警、督促清理人員及時(shí)打掃，對(duì)于垃圾箱布局不合理及時(shí)上傳數(shù)據(jù)、衛(wèi)生監(jiān)管部門(mén)及時(shí)調(diào)整垃圾箱布局等功能。因此，與傳統(tǒng)的垃圾箱相比，該垃圾箱更節(jié)能環(huán)保，減少了區(qū)域用戶或路人亂扔垃圾的現(xiàn)象，降低了清潔人員的人力成本，提高了垃圾箱的使用效率，可廣泛應(yīng)用于城市街道、社區(qū)公園、旅游景區(qū)等場(chǎng)所，具有很大的市場(chǎng)前景[1-4]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

該垃圾箱由單片機(jī)STM32系統(tǒng)、容量檢測(cè)模塊、容量顯示輸出模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、按鈕模塊、時(shí)鐘模塊、紅外感應(yīng)模塊、電源模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件

■2.1 控制核心模塊——單片機(jī)STM32F103C8T6

本設(shè)計(jì)采用32位單片機(jī)STM32F103C8T6作為系統(tǒng)的控制核心，其內(nèi)核為ARM Cortex-M3，工作頻率最高為72MHz，工作電壓為2～3.6V，有64KB的閃存，20KB的SRAM，37個(gè)I/O口，16個(gè)與通用端口GPIO映射的外部中斷EXTI，1個(gè)16位高級(jí)控制定時(shí)器，3個(gè)16位通用定時(shí)器，3個(gè)USART串口通信模塊等，具有運(yùn)行速度快、處理能力強(qiáng)、外設(shè)接口豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，專門(mén)應(yīng)用于低功耗、對(duì)性能要求較高以及成本要求較低的的場(chǎng)合。

■2.2 電源模塊——太陽(yáng)能電池板結(jié)合12V蓄電池

本設(shè)計(jì)選用了太陽(yáng)能電池板與12V蓄電池結(jié)合的方式為整個(gè)系統(tǒng)供電。晴天的時(shí)候太陽(yáng)能電池板可自行充電并給系統(tǒng)供電，晚上或陰天的時(shí)候可通過(guò)蓄電池自給供電。太陽(yáng)能電池板位于整個(gè)垃圾箱體的頂部，以便更好地接受太陽(yáng)光并加以充電,將轉(zhuǎn)化后的電能存入12V蓄電池中供整個(gè)系統(tǒng)使用。考慮到12V蓄電池的重量，為了降低垃圾箱體的重心，提高垃圾箱體的穩(wěn)固性，避免大風(fēng)刮倒垃圾桶造成垃圾箱內(nèi)部精密元器件的損壞，本設(shè)計(jì)將12V蓄電池放置在垃圾箱體的最下方位置。

■2.3 容量檢測(cè)模塊——超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04

垃圾箱內(nèi)垃圾剩余容量的空間可通過(guò)超聲波測(cè)距計(jì)算得到。超聲波測(cè)距是一種檢測(cè)迅速、計(jì)算簡(jiǎn)單、方便低廉的非接觸式檢測(cè)技術(shù)，不會(huì)受光線、顏色等因素影響，即使惡劣的環(huán)境 (如含粉塵) 也有一定的適應(yīng)能力。本設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04對(duì)垃圾桶內(nèi)的剩余空間進(jìn)行測(cè)量。超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04提供脈沖信號(hào)，超聲波發(fā)射器即可發(fā)出超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)遇到垃圾箱內(nèi)的垃圾即反射回來(lái)，被超聲波接收器接收。再根據(jù)發(fā)送與接收到的超聲波時(shí)間差，即可計(jì)算出垃圾箱內(nèi)垃圾的剩余空間。

■2.4 容量顯示輸出模塊——LED燈條WS2812B-8

垃圾箱內(nèi)垃圾的容量顯示輸出模塊采用LED燈條WS2812B-8，根據(jù)燈條上亮燈的個(gè)數(shù)，可以讀取到垃圾箱內(nèi)垃圾容量的多少。其由晶元5050型RGB 貼片燈珠組成，燈珠內(nèi)置WS2812B-8貼裝于FPCB(柔性線路板)上，耐折易彎曲，可以用3M膠紙或者卡扣螺絲固定。遇到雨雪天氣，防水等級(jí)可達(dá)到IP68。采用低電壓直流供電安全方便，成本低廉，更換方便。具有多種發(fā)光顏色，夜晚色彩絢麗。

■2.5 物聯(lián)網(wǎng)模塊

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)（NB-IoT），結(jié)合3G/4G網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)調(diào)控等應(yīng)用的垃圾處理設(shè)備。在垃圾箱裝滿了以后，能夠告知路人附近較近較空的垃圾箱的位置信息；清潔人員只需根據(jù)手持的無(wú)線終端上的信息，對(duì)相應(yīng)的垃圾箱進(jìn)行清理；衛(wèi)生監(jiān)管部門(mén)可以從終端機(jī)中獲取整個(gè)城市或區(qū)域的垃圾分布信息，對(duì)垃圾箱的分布根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

■2.6 紅外感應(yīng)模塊

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用紅外傳感器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作完成。在垃圾箱的正面以及側(cè)面安裝紅外傳感器。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到人與垃圾箱之間的距離小于預(yù)設(shè)距離時(shí), 紅外傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)垃圾箱自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋的功能，在沒(méi)有感應(yīng)的時(shí)間內(nèi)，垃圾箱一直處于關(guān)閉狀態(tài)。這樣也防止了垃圾箱內(nèi)惡臭氣味外泄以及避免人與垃圾直接接觸[2]。

3 系統(tǒng)軟件

■3.1 單片機(jī)主程序

單片機(jī)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，系統(tǒng)軟件可分為主程序和各模塊子程序。最重要的模塊子程序就是檢測(cè)垃圾箱體容量，進(jìn)而顯示輸出并報(bào)警的過(guò)程。其系統(tǒng)流程框圖如圖2所示。

圖2 垃圾箱容量檢測(cè)程序

■3.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，其中主要包括了垃圾處理、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常狀態(tài)查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表查詢等功能模塊。用戶在點(diǎn)擊垃圾處理按鈕以后，進(jìn)入到處理中心界面，界面就會(huì)出現(xiàn)垃圾處理的詳細(xì)信息。用戶在點(diǎn)擊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按鈕以后，進(jìn)入到環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面，界面就會(huì)出現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。用戶在點(diǎn)擊實(shí)時(shí)監(jiān)控按鈕以后，進(jìn)入到實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，界面就會(huì)出現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的詳細(xì)信息。實(shí)時(shí)監(jiān)控界面其中主要包括了時(shí)間選擇、站點(diǎn)選擇、監(jiān)控畫(huà)面等信息。如圖3實(shí)時(shí)監(jiān)控界面所示。點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，可對(duì)時(shí)間、區(qū)域、報(bào)警信息、視頻、記錄進(jìn)行選擇設(shè)置或選擇查看。

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的要求，解決了部分投放者不想多走路亂扔垃圾的問(wèn)題，幫助了清潔人員及時(shí)掃打的問(wèn)題，對(duì)于衛(wèi)生監(jiān)管合理布局垃圾箱提供借鑒。同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依據(jù)衛(wèi)生部門(mén)后臺(tái)統(tǒng)計(jì)積累的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析區(qū)域用戶或路人垃圾傾倒的習(xí)慣，制定清潔人員垃圾打掃的策略，調(diào)整衛(wèi)生調(diào)度部門(mén)各區(qū)域垃圾箱的預(yù)置存放位置，有效解決環(huán)衛(wèi)部門(mén)的工作壓力，提升了清潔人員和調(diào)度人員的工作效率，為智慧城市的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，這也符合我國(guó)環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)要求[5]。