智能垃圾設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

朱效恒，禹素萍，許武軍，范 紅

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)的云計(jì)算、云存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)極大促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，智能垃圾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到開發(fā)及應(yīng)用。Aazam 等提出一種基于云的智能垃圾管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)垃圾箱內(nèi)嵌有傳感器，可以監(jiān)視垃圾箱內(nèi)部信息，將垃圾箱數(shù)據(jù)傳到云端；Babyc 等提出一種智能垃圾報(bào)警系統(tǒng)，使用“機(jī)器學(xué)習(xí)”概念收集特定區(qū)域垃圾生成數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)生的垃圾量進(jìn)行預(yù)測(cè)；Minhaz 等提出一種基于智能物聯(lián)網(wǎng)的集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino 作為控制器，傳感器用于識(shí)別和測(cè)量垃圾數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)測(cè)垃圾桶數(shù)據(jù)并通過LCD 顯示屏顯示百分比，使用GSM 模塊通知相應(yīng)人員收集垃圾；于芳等提出一種基于安卓的智能車載垃圾桶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STC89C52 單片機(jī)作為主控制器，桶內(nèi)連接傳感器，實(shí)現(xiàn)異味監(jiān)測(cè)、蜂鳴器報(bào)警、積液監(jiān)測(cè)、紫外線殺菌等功能。該系統(tǒng)可通過APP 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過藍(lán)牙模塊控制系統(tǒng)的滿溢提醒模塊和紫外線消毒模塊；劉欣雨等提出一種基于STM32 單片機(jī)的垃圾分類回收監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32 處理器，控制重力傳感模塊和語音播報(bào)模塊。重力模塊負(fù)責(zé)垃圾箱的稱重，語音模塊對(duì)錯(cuò)誤垃圾行為給予建議。通過ZigBee 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)模塊，通過上位機(jī)查看垃圾分布、垃圾容量等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控垃圾站工作情況。

近年垃圾分類在我國備受重視，促進(jìn)了智能垃圾設(shè)備研究。張林等提出一種基于STM32 的智能垃圾桶，該垃圾桶具有語音識(shí)別、揮手開蓋、障礙躲避和打掃等功能；王科舉等提出一種基于樹莓派和Arduino 的智能垃圾桶，該垃圾桶結(jié)合yolov3-tiny 深度學(xué)習(xí)模型識(shí)別分類垃圾；徐愛蘭等提出一種基于NB-IOT 的垃圾滿溢監(jiān)測(cè)結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)利用超聲波測(cè)量垃圾桶內(nèi)垃圾容量，通過NB-IOT將告警信息傳送至云服務(wù)端，方便工作人員對(duì)垃圾桶管理；丁小偉等進(jìn)行智能垃圾設(shè)備設(shè)計(jì)，該設(shè)備采用STC89C51 作為控制器，人體感應(yīng)自動(dòng)開蓋，具有溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能，可通過APP 控制智能垃圾桶；劉鵬等提出一種基于語音交互功能的智能分類垃圾箱，該垃圾箱以Arduino 作為控制器，LD3320 語音模塊作為人機(jī)語音交互功能和語音識(shí)別播報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的開合、傾倒和自動(dòng)打包功能。2019 年底新冠肺炎疫情給我國衛(wèi)生體系帶來了巨大挑戰(zhàn)，智能垃圾分類設(shè)備和基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要進(jìn)一步整合，以保障公共衛(wèi)生安全。

但以上方法均未在垃圾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能耗上進(jìn)行研究，未進(jìn)行基于微信小程序的垃圾桶監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。在前述研究基礎(chǔ)上，本文結(jié)合樹莓派、傳感器技術(shù)、微信小程序、Onenet 等技術(shù)，采用國產(chǎn)USB 北斗接收機(jī)三模GNSS 替代GPS 作為定位模塊，并采用輕量級(jí)微信小程序替代傳統(tǒng)的手機(jī)APP 軟件作為垃圾設(shè)備監(jiān)測(cè)端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)折線圖顯示，通過微信報(bào)警實(shí)時(shí)通知工作人員。

1 系統(tǒng)架構(gòu)體系

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，垃圾分類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心模塊包括智能垃圾桶采集端、云服務(wù)器端、微信小程序監(jiān)測(cè)端。智能垃圾桶采集端包含若干個(gè)垃圾收集設(shè)備子系統(tǒng)，每個(gè)垃圾收集設(shè)備子系統(tǒng)有4個(gè)垃圾桶，分別是可回收垃圾桶、干垃圾桶、濕垃圾桶和有害垃圾桶。

Fig.1 System structure圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，垃圾收集子系統(tǒng)以樹莓派3B+作為主板，包含人體紅外感應(yīng)器模塊、滿溢檢測(cè)模塊、防火檢測(cè)模塊、位置定位模塊、殺菌消毒模塊、供電模塊。微信小程序數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)端包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊、實(shí)時(shí)報(bào)警模塊、報(bào)警歷史信息模塊和個(gè)人信息模塊。云服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)端負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與中轉(zhuǎn)，作為數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)端的橋梁。

Fig.2 Subsystem hardware structure圖2 子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 智能垃圾桶設(shè)計(jì)

以樹莓派3B+作為主控制器，控制智能垃圾桶端實(shí)現(xiàn)命令信息發(fā)送，各個(gè)模塊自上而下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)垃圾分類并獲取垃圾桶內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，工作流程如圖3 所示。

Fig.3 Work flow of intelligent garbage equipment圖3 智能垃圾設(shè)備工作流程

（1）人體紅外感應(yīng)模塊。出于節(jié)能和防止語音垃圾桶誤操作考慮，在沒有人投放垃圾時(shí)，語音模塊系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)休眠狀態(tài)。當(dāng)有人靠近垃圾桶一定距離時(shí)，通過人體紅外傳感器感應(yīng)，系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，語音模塊啟動(dòng)，垃圾桶進(jìn)入正常工作狀態(tài)。該模塊采用HC-SR501 人體紅外傳感器，工作電壓為直流5～20V、感應(yīng)范圍錐角小于120°、距離小于7m，傳感器有3個(gè)引腳：VCC、GND 和DATA。

（2）語音控制模塊。為預(yù)防垃圾桶作為中介帶來病菌交叉感染，設(shè)計(jì)用戶在投放垃圾時(shí)不需要用手打開垃圾桶。采用LD3320 語音模塊，通過語音控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)打開垃圾桶投放口。為節(jié)省能耗，方便樹莓派模塊休眠又不影響垃圾桶工作，采用語音模塊微控制器Arduino。LD3320語音模塊工作電壓為直流3～5V，模塊的引腳分別是VCC、GND、CLK、DO、DI、CS、RST 和IRQ。模塊通過控制舵機(jī)打開垃圾桶蓋，180 度SG90 舵機(jī)控制垃圾桶蓋開合，舵機(jī)電壓工作范圍為直流4.8V-6V，通過PWM 控制特定角度旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)有3個(gè)引腳：VCC，GND 和OUT。

（3）滿溢檢測(cè)模塊。垃圾桶滿溢監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)量垃圾桶內(nèi)垃圾容量，當(dāng)垃圾量沒有超過設(shè)定值時(shí)正常工作，當(dāng)垃圾容量超過設(shè)定值后垃圾箱的滿溢指示燈點(diǎn)亮，采用HC-SR04 超聲波傳感器自動(dòng)將垃圾桶容量信息和滿溢信息上傳至云服務(wù)器。其工作電壓為直流5V，探測(cè)距離小于4.5m，精度0.2cm。超聲波模塊的引腳為VCC、Trig、Echo、GND。

（4）防火檢測(cè)模塊。桶內(nèi)高溫或在桶內(nèi)錯(cuò)投未熄滅的煙蒂，很容易引發(fā)桶內(nèi)火災(zāi)。從防火安全和保護(hù)元器件考慮，當(dāng)桶內(nèi)溫度超過50°C 時(shí)防火提示燈點(diǎn)亮，并將數(shù)據(jù)上傳。模塊采用DS18B20 溫度傳感器，電壓范圍為直流3.0～5.5V，溫度范圍-55～+125°C，在-10～85°C 時(shí)精度為±0.5°C。傳感器的引腳為VCC、GND 和OUT。

（5）位置定位模塊。垃圾桶位置安放會(huì)不斷調(diào)整，因此垃圾桶安放點(diǎn)具有不確定性。為每個(gè)子系統(tǒng)安裝定位模塊，垃圾桶報(bào)警通知，保潔人員可通過地圖進(jìn)行定位找到對(duì)應(yīng)垃圾桶，進(jìn)行相關(guān)處理。此模塊采用USB 北斗接收機(jī)三模GNSS 定位模塊。USB 接口樹莓派可以免驅(qū)動(dòng)，支持BDS、GPS 和GLONASS 系統(tǒng)，定位精度為2.5m。

（6）消毒殺菌模塊。2019 年底新型冠狀肺炎爆發(fā)，公共衛(wèi)生安全引起人們高度重視。為防止病毒和細(xì)菌滋生，在垃圾桶內(nèi)安裝了紫外線燈，每12個(gè)小時(shí)殺毒消毒模塊工作半小時(shí)。該模塊通過繼電器控制消毒燈開關(guān)進(jìn)行定時(shí)殺菌消毒工作，采用LED 紫外線殺菌UV 燈，工作電壓12V。

（7）供電模塊。樹莓派輸出電壓有3.3V 和5V 兩種電壓，無法滿足高于5V 的電壓以及多元器件負(fù)載，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立供電模塊，負(fù)責(zé)樹莓派供電以及其它元器件供電。在無人投放垃圾時(shí)樹莓派進(jìn)入休眠狀態(tài)，防止?jié)M溢模塊、防火模塊等損耗電能。為了依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況便捷移動(dòng)垃圾設(shè)備，供電模塊采用太陽能電池板供電。

2.2 微信小程序監(jiān)測(cè)端功能設(shè)計(jì)

垃圾設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)移動(dòng)端大多采用電腦上位機(jī)Web網(wǎng)頁端或手機(jī)APP 程序。近年微信用戶發(fā)展很快，手機(jī)移動(dòng)端一般都安裝有微信軟件。微信小程序具有開發(fā)簡(jiǎn)單、使用便捷的優(yōu)勢(shì)。

（1）應(yīng)用程序文件結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序主要使用的技術(shù)有JS（Javascript）、JSON、和WXSS。.js 文件應(yīng)用程序是邏輯文件，.json 文件應(yīng)用程序是配置文件，.wxss 應(yīng)用程序是定義公共樣式。應(yīng)用程序主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)報(bào)警、報(bào)警歷史和個(gè)人信息4個(gè)頁面組成，程序文件目錄結(jié)構(gòu)描述如表1所示，該程序的重要代碼模塊說明如表2 所示。

Table 1 Application file directory structure表1 應(yīng)用程序文件目錄結(jié)構(gòu)

Table 2 Important code description表2 重要代碼說明

（2）小程序與云服務(wù)器數(shù)據(jù)交互。小程序端調(diào)用wx.login（）方法獲取到當(dāng)前用戶代碼，傳給服務(wù)器。Wx.request 發(fā)起HTTPS 網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，GET 方法獲得云服務(wù)器數(shù)據(jù)，POST 方法發(fā)送數(shù)據(jù)到云服務(wù)器，傳輸數(shù)據(jù)是String 類型。通過統(tǒng)一資源定位器（Uniform Resource Locator，URL）和API-KEY 獲取云服務(wù)器數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警歷史界面。調(diào)用wx-charts 應(yīng)用程序圖形，它基于canvas 繪制，具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，支持餅圖、線圖、柱狀圖、區(qū)域圖等圖表類型。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁面顯示垃圾設(shè)備的溫度和容量折線圖，報(bào)警歷史界面柱狀圖顯示調(diào)取云服務(wù)器的溫度、滿溢報(bào)警次數(shù)。

（4）實(shí)時(shí)報(bào)警頁面。實(shí)時(shí)報(bào)警頁面顯示報(bào)警模塊信息。從云服務(wù)器獲取到報(bào)警信號(hào)后，在頁面顯示垃圾設(shè)備類型。微信用戶通過appid 和seret 連接微信接口，報(bào)警信息通過微信接口實(shí)時(shí)發(fā)送報(bào)警信息到指定微信用戶。

（5）個(gè)人信息頁面。注冊(cè)頁面，在WeUi 基礎(chǔ)樣式庫找到對(duì)應(yīng)樣式，使用input 實(shí)現(xiàn)輸入框。個(gè)人信息頁面與注冊(cè)頁面布局相似，通過注冊(cè)頁面輸入生成如姓名、手機(jī)號(hào)等信息。在相應(yīng)的JavaScript 文件的data 數(shù)組定義變量userinfo。Userinfo 的值通過后臺(tái)需求訪問，獲取用戶信息并保存在本地，通過onload（）函數(shù)從本地讀取賦值。

2.3 云服務(wù)器端設(shè)計(jì)

收集硬件端垃圾桶的數(shù)據(jù)信息，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的作用。

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品。選擇http 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，平臺(tái)側(cè)提供以下功能：存儲(chǔ)設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，提供API 接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理，提供數(shù)據(jù)推送到應(yīng)用；登錄注冊(cè)中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，進(jìn)入平臺(tái)選擇控制臺(tái)的多協(xié)議接入選項(xiàng)，創(chuàng)建產(chǎn)品；添加產(chǎn)品參數(shù)，如表3 所示。

Table 3 Adding product information表3 添加產(chǎn)品信息

（2）添加設(shè)備。每個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)多個(gè)設(shè)備，通過設(shè)備設(shè)置數(shù)據(jù)流，用于接收垃圾箱采集端的各種數(shù)據(jù)。本文以一個(gè)智能垃圾設(shè)備（1 號(hào)智能垃圾設(shè)備，鑒權(quán)信息為smartnumber1）為例進(jìn)行闡述，其它垃圾設(shè)備設(shè)置同理。

（3）添加數(shù)據(jù)模板。為收集智能垃圾采集端的數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建設(shè)備中添加數(shù)據(jù)流模板。該智能垃圾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)垃圾桶內(nèi)溫度、垃圾容量、溫度報(bào)警次數(shù)、滿溢報(bào)警次數(shù)、故障報(bào)警次數(shù)、位置經(jīng)緯度、殺菌消毒次數(shù)等信息進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)模板如表4 所示。

Table 4 Data template表4 數(shù)據(jù)模板

3 微信小程序結(jié)果展示

如圖4-圖7 所示，在“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示”頁面中，折線圖查看垃圾設(shè)備內(nèi)4個(gè)桶的溫度和容量信息；在“實(shí)時(shí)報(bào)警信息”頁面中，依次可以看到溫度報(bào)警模塊、滿溢報(bào)警模塊和故障報(bào)警模塊信息；在“報(bào)警歷史信息”頁面中，柱狀圖顯示滿溢和防火報(bào)警情況，以此觀察報(bào)警次數(shù)，柱狀圖顯示“1”代表某個(gè)時(shí)間報(bào)警信息，不顯示則為正常工作；在“個(gè)人信息頁面”可以查看用戶的微信頭像、姓名、手機(jī)號(hào)、性別、工作區(qū)域、工號(hào)、入職年份等信息。

Fig.4 Real-time data page圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁面

Fig.5 Real-time alarm page圖5 實(shí)時(shí)報(bào)警頁面

Fig.6 Alarm history page圖6 報(bào)警歷史頁面

Fig.7 Personal information page圖7 個(gè)人信息頁面

4 結(jié)語

為配合垃圾分類政策，貫徹現(xiàn)代社會(huì)綠色可持續(xù)發(fā)展理念，本文利用物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)各自的優(yōu)勢(shì)，依靠數(shù)據(jù)采集和分析合理分配資源，結(jié)合微信小程序、云服務(wù)器等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能垃圾設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用樹莓派和Arduino 雙控制板，Arduino 控制樹莓派的獨(dú)立電源，達(dá)到節(jié)省能耗的目的。本文還設(shè)計(jì)了一款協(xié)助保潔人員管理垃圾設(shè)備和收集垃圾的微信小程序，直觀顯示采集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)信息，可直接查看報(bào)警信息。后續(xù)工作是將系統(tǒng)優(yōu)化，增加后臺(tái)管理平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析垃圾設(shè)備數(shù)據(jù)，使垃圾設(shè)備分布更加合理，配合保潔人員更加高效地進(jìn)行垃圾分類，提高設(shè)備利用效率。