一種垃圾箱容量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

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)，主要存在以下幾點問題：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亂扔垃圾。這樣不僅會污染周邊環(huán)境，也增加了清潔人員的打掃負(fù)擔(dān)；二、對于垃圾數(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)管部門無法知道整個城市或區(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。

本設(shè)計中的垃圾箱基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)，利用單片機為主控芯片，可以實現(xiàn)實時地監(jiān)測垃圾箱體內(nèi)剩余垃圾容量并上傳后臺數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一調(diào)度，對于區(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，對于垃圾箱清理不及時的情況實時報警、督促清理人員及時打掃，對于垃圾箱布局不合理及時上傳數(shù)據(jù)、衛(wèi)生監(jiān)管部門及時調(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)等場所，具有很大的市場前景[1-4]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

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

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

2 系統(tǒng)硬件

■2.1 控制核心模塊——單片機STM32F103C8T6

本設(shè)計采用32位單片機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I/O口，16個與通用端口GPIO映射的外部中斷EXTI，1個16位高級控制定時器，3個16位通用定時器，3個USART串口通信模塊等，具有運行速度快、處理能力強、外設(shè)接口豐富、價格低廉等特點，專門應(yīng)用于低功耗、對性能要求較高以及成本要求較低的的場合。

■2.2 電源模塊——太陽能電池板結(jié)合12V蓄電池

本設(shè)計選用了太陽能電池板與12V蓄電池結(jié)合的方式為整個系統(tǒng)供電。晴天的時候太陽能電池板可自行充電并給系統(tǒng)供電，晚上或陰天的時候可通過蓄電池自給供電。太陽能電池板位于整個垃圾箱體的頂部，以便更好地接受太陽光并加以充電,將轉(zhuǎn)化后的電能存入12V蓄電池中供整個系統(tǒng)使用?？紤]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)計將12V蓄電池放置在垃圾箱體的最下方位置。

■2.3 容量檢測模塊——超聲波測距傳感器HC-SR04

垃圾箱內(nèi)垃圾剩余容量的空間可通過超聲波測距計算得到。超聲波測距是一種檢測迅速、計算簡單、方便低廉的非接觸式檢測技術(shù)，不會受光線、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)計采用超聲波測距傳感器HC-SR04對垃圾桶內(nèi)的剩余空間進行測量。超聲波測距傳感器HC-SR04提供脈沖信號，超聲波發(fā)射器即可發(fā)出超聲波信號，超聲波信號遇到垃圾箱內(nèi)的垃圾即反射回來，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間差，即可計算出垃圾箱內(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，防水等級可達到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)計基于物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)（NB-IoT），結(jié)合3G/4G網(wǎng)絡(luò)開發(fā)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測調(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)手持的無線終端上的信息，對相應(yīng)的垃圾箱進行清理；衛(wèi)生監(jiān)管部門可以從終端機中獲取整個城市或區(qū)域的垃圾分布信息，對垃圾箱的分布根據(jù)實際需求進行調(diào)整。

■2.6 紅外感應(yīng)模塊

本設(shè)計系統(tǒng)利用紅外傳感器和步進電動機聯(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)紅外傳感器檢測到人與垃圾箱之間的距離小于預(yù)設(shè)距離時, 紅外傳感器將檢測到的信號發(fā)送給單片機，以控制步進電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)垃圾箱自動開關(guān)蓋的功能，在沒有感應(yīng)的時間內(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 單片機主程序

單片機采用C語言進行編程，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垃圾箱體容量，進而顯示輸出并報警的過程。其系統(tǒng)流程框圖如圖2所示。

圖2 垃圾箱容量檢測程序

■3.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實時更新監(jiān)控數(shù)據(jù)，其中主要包括了垃圾處理、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控、異常狀態(tài)查詢、統(tǒng)計報表查詢等功能模塊。用戶在點擊垃圾處理按鈕以后，進入到處理中心界面，界面就會出現(xiàn)垃圾處理的詳細(xì)信息。用戶在點擊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)按鈕以后，進入到環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)界面，界面就會出現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。用戶在點擊實時監(jiān)控按鈕以后，進入到實時監(jiān)控界面，界面就會出現(xiàn)實時監(jiān)控的詳細(xì)信息。實時監(jiān)控界面其中主要包括了時間選擇、站點選擇、監(jiān)控畫面等信息。如圖3實時監(jiān)控界面所示。點擊相應(yīng)的按鈕，可對時間、區(qū)域、報警信息、視頻、記錄進行選擇設(shè)置或選擇查看。

圖3 實時監(jiān)控界面

4 總結(jié)

本設(shè)計充分體現(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題，幫助了清潔人員及時掃打的問題，對于衛(wèi)生監(jiān)管合理布局垃圾箱提供借鑒。同時利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依據(jù)衛(wèi)生部門后臺統(tǒng)計積累的數(shù)據(jù)，通過分析區(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，這也符合我國環(huán)境保護可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)要求[5]。