基于物联网技术的垃圾桶智能管理系统设计与实现

2015-12-28朱松林崔忠伟帅莽莽盛升

物联网技术 2015年12期

关键词：超声波检测单片机

朱松林　崔忠伟　帅莽莽　盛升

摘要：利用核心控制单片机AT89S51结合GPRS短信收发模块GSM900C、重力检测模块、超声波测距模块、温度检测模块以及外围辅助电路，设计了一个集多种检测报警功能为一体的、对垃圾桶进行智能化管理的多功能管理系统。

关键词：智能垃圾桶；单片机；温度检测；超声波检测

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-00-03

0 引言

无数中国家庭的居家清洁问题急需解决，人居品质、生活档次需要提升。我们面临着不少问题和挑战，环境建设有待完善，酒店、娱乐场所、机房、医院等公共场所的垃圾收纳、处理问题需要解决。

随着人们生活水平的不断提高，人们在购买各种家具或家电时越来越重视其智能化和人性化[1-3]。人们在生活中产生的生活垃圾都需用垃圾桶放置，考虑到环卫人员对垃圾处理的繁杂工作、卫生监管局对城市垃圾桶的监管不便等给城市环境造成的城市垃圾处理不及时、影响市容市貌等问题。提出了具有自动报警功能的智能垃圾桶设计方案。当垃圾桶装满、垃圾桶温度过高或垃圾超重时，垃圾桶就会自动发出短信报警，相关人员便能对垃圾桶进行相应的处理。目前国外关于智能垃圾桶方面的研究取得了显著的进步[4-10]。美国公开了一种以太阳能为能源的智能垃圾桶，该垃圾容器具有垃圾压缩功能，并能够对垃圾容器的使用状态进行监测，在垃圾容器装满时安装在箱外的红灯打开，并通过有线或无线方式通知相关人员对垃圾桶进行相应处理。该垃圾容器采用的技术方案是通过检测垃圾压缩机构的行程来判断垃圾容器是否装满，对于没有垃圾压缩功能的垃圾容器就无法再检测是否装满。国内城市的垃圾桶一直处于发展阶段[11，12]，城市化进程中人口密集的区域不断形成，我们所见的传统的垃圾桶在使用过程中已暴露出很多缺点：大量的生活垃圾得不到及时处理，若清洁工人没有及时来收走垃圾，多余的垃圾就会从垃圾桶溢出来，非常影响市容的美观。

1 系统功能与原理

本系统的总体功能是对垃圾桶内垃圾高度、温度、重量进行检测，将数据通过信息处理模块和GPRS发送模块将信息发送到终端机和手持终端等设备上，便于了解各区域垃圾桶信息及现状、掌握各区域垃圾量信息，实现对各区域垃圾桶的合理分布及智能化管理。

1.1 垃圾高度检测

这是利用无线传感器测距技术以及数据处理技术的数据化信息处理装置。这种装置能精确检测垃圾桶内的垃圾高度，并收集数据及对数据进行处理，实时将数据通过短信方式发送到环卫人员手持终端上，使垃圾环卫人员能及时而有效的对垃圾桶内垃圾进行收纳、处理。一方面防止垃圾溢出影响市容，另一方面提高了环卫人员的工作效率，减少重复无效的工作，节约了人力成本。

1.2 垃圾温度检测

垃圾温度检测是现代化智能垃圾桶的一种新型检测方式，通过温度传感器实时检测垃圾桶内垃圾温度并将检测到的数据交由检测中心控制模块进行处理，整合成信息，实时传回监控中心，有效防止由于温度过高烧毁垃圾桶以及垃圾桶燃烧带来的破坏。

1.3 垃圾重量检测

通过重力检测模块可实时检测垃圾桶内垃圾重量并将检测到的数据交由检测中心控制模块进行处理，整合成信息，实时传回监控中心，有效防止由于垃圾桶内垃圾过重对垃圾桶造成的损坏。

1.4 检测中心控制模块故障检测

通过检测中心故障检测及报警模块，可对检测中心控制模块进行定期检测并将数据实时传回监控中心，实现了对检测中心控制模块的有效维护。

1.5 显示模块、GPRS发送模块、监控中心

用于实时显示垃圾桶现状、对检测中心信息进行发送、实时监控垃圾桶各属性并做出相应处理。

2 系统硬件结构设计

系统硬件包括垃圾桶体机械结构和硬件控制电路两个部分[1，13-17]。其中桶体机械结构为一单一垃圾桶，能按照桶内不同模块的设置作出相应的反应。系统硬件电路总体结构框图如图1所示，包括电源模块、单片机最小系统、高度检测模块、重力测量模块、温度监测模块、各检测中心控制模块、GPRS报警短信发送模块、信息显示模块及处理模块。

本系统的工作原理是：首先通过检测中心控制模块控制各检测模块检测出桶内垃圾状态，同时通过信息处理模块将垃圾信息进行计算、处理、整合为一条有用信息，再通过GPRS发送模块将信息发送到各种手持终端及控制中心终端上，并将传送的信息利用显示模块进行显示。

3 系统功能的实现

3.1 温度检测模块的实现

模块由多个型号为DS18B20的温度传感器连接到AT89C51单片机相应I/O口组成。在垃圾桶内部表面均匀安装有多个型号为DS18B20的温度传感器，每个温度传感器负责监测一定范围内温度变化的情况，当某个传感器检测到所负责的范围温度大于或等于事先预设的温度，则触发单片机最小系统动作，从而触发信息处理模块等一连串的动作，从而实现温度检测。

3.2 高度检测模块的实现

模块由多个测距传感器HC-SR4与单片机最小系统连接组成。在垃圾桶桶盖内侧均匀安装有多个测距传感器HC-SR4，每个测距传感器负责一定的范围，当有1/2传感器检测到所负责的范围垃圾高度大于或等于垃圾桶高度的19/20，则触发单片机最小系统动作，从而触发信息处理模块等一连串的动作，进而实现对垃圾高度的检测。

3.3 重力检测模块的实现

该模块由多个小尺寸纽扣式微型称重传感器及单片机最小系统连接组成。在垃圾桶桶底安装有1个压力传感器，当该传感器检测到桶内垃圾的重量大于或等于事先预设的某一重量时，则触发单片机最小系统动作，从而触发信息处理模块等一连串的动作，进而实现对垃圾重量的检测。

3.4 检测中心控制模块的实现

该模块主要由型号为AT89C51的单片机及短信收发模块GTM900C组成，主要对本系统所包含的三大检测模块进行控制，对检测到的数据进行收集并统计分析，形成文字信息存储并交由华为出品的GTM900C开发板信息发送模块发送。

3.5 自动报警模块的实现

由GTM900C短信发送模块与AT89C51单片机相应I/O口连接组成，主要是将上述检测中心通过三大检测模块得到的文字信息传送到监控中心终端机及环卫工人手持终端上，达到报警的目的。

3.6 本系统主程序流程图

图2所示为本系统主程序流程图。高度检测模块检测智能垃圾桶内的垃圾高度，温度检测模块检测桶内垃圾温度，重力检测模块检测桶内垃圾重量并将智能垃圾桶内的垃圾信息传输给检测中心控制模块，如果垃圾桶的主控中心对垃圾信息的处理结果显示该垃圾桶未满或未超重或温度未过高，则说明垃圾桶正常工作；如果智能垃圾桶的垃圾信息表示该智能垃圾桶已满、温度过高或超重，则检测中心控制模块通过GPRS发送装置将该智能垃圾桶已满、温度过高或超重的信息传输给清洁人员携带的无线手持终端和终端机。相关人员对垃圾桶状态进行处理和更新。主要程序指令有：

3.7 软件设计流程分析

本系统采用结构化模块程序设计，所谓“模块”，其实质就是指具有一定功能、相对独立的程序段。首先在编程过程中将所要完成的各个功能分别按模块编写和调试，当所有模块调试成功以后，再将各个模块连接在一起整合形成系统。

结构化模块程序设计的主要特点：

（1）一个单独模块的程序编写、查错等比一个完整系统的程序更容易；

（2）模块化程序可以实现共享，一个模块化程序可被多个任务在不同的条件下调用；

（3）把输入和输出进行封装，可以减少程序不必要的重复修改；

（4）这样的设计不但有利于程序代码的优化和共享，而且便于设计、调试和维护，同时也可以增强系统的可靠性。

图3所示为主控制器的程序流程图。

4 结语

本系统所设计的智能垃圾桶是智能家居的其中之一，本设计不仅实现了非常环保的智能垃圾桶，同时也实现了对特定区域垃圾桶的实时监控，这为公众的健康提供了保障，同时也为减轻管理人员及环卫工人的工作负担发挥了积极的作用，由于基于AT89S51单片机实现的垃圾桶智能管理系统成本低、实用性强且功能完善，因此本系统具有良好的社会效益和经济效益。

参考文献

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