基于超声波传感器的可压缩式垃圾箱检测系统分析

何王凤 郑智超

摘   要：随着我国城市化的快速发展，创造和谐美好的城市环境越来越重要，公共场所垃圾箱容量有限，导致其周围环境既不美观，又容易滋生细菌的问题越来越显现。文章提出的垃圾箱控制系统围绕压缩垃圾的关键技术问题重点展开工程化技术研究。经过实验证明，本系统可以通过微信小程序智能检测垃圾箱中的垃圾容量，进行自动压缩，有效解决垃圾存放超时或放置过量垃圾并无人清理的情况，具有较强的实用性。

关键词：可压缩式智能垃圾箱;物联网技术;超声波测距

随着我国环境治理体系的不断完善和环境治理能力现代化的不断推进，“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念逐渐扎根，国民追求更高的生活质量，新型智慧城市也随之孕育而生，城市发展被赋予了新的内涵和新的要求[1]。根据国家统计局和OECD公布的我国垃圾增长曲线，全国垃圾年总量即将突破3亿吨。垃圾成为破坏城市环境、降低人们生活质量的祸首之一。城市垃圾问题也逐渐引起了社会各界的广泛关注，垃圾的积累会造成细菌和病毒的滋生，对人们的正常生活有着不可忽视的威胁[2]。

随着我国城市化快速发展，解决城市垃圾问题成了重中之重的任务，想要创造出和谐美好的城市环境，改革垃圾箱是关键的一步，传统的垃圾箱存在着种种问题，导致资源负载过大和资源浪费的情况。本文提出的垃圾箱控制系统，以顺应时代发展为主题，提高人们生活质量为目的，通过手机的控制实现垃圾箱定位、垃圾箱容量检测、垃圾箱内垃圾压缩和垃圾箱已满提醒等功能。

可压缩式垃圾箱的发明和研究对创造和谐美好的城市环境、推动社会发展具有重要意义。与传统垃圾箱比较，可压缩式垃圾箱利用先进的集成电路、传感器等技术实现垃圾的智能压缩，能够快速、科学、及时地压缩垃圾，与现代社会垃圾的产生效率较为匹配[3]。在人力成本急剧提升的今天，可压缩式垃圾箱能够更高效地收集垃圾，箱满可发送提醒，使环卫工人资源分配更加合理，实现资源的分配利用[4]。

1    基本概念

本文中主要用到的技术为超声波测距和压缩系统装置。

1.1  超声波测距

超声波测距的工作原理是利用超声波发射探头不断地发射出声波信号，遇到障碍物后反射回反射波，接收探头接收到反射波信号，并将其转变为电讯号[5]。本文利用返回的声波信号来判断垃圾箱的容量是否达到所设置的一个临界状态。单片机发出超声波通过不断地检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S=C×T/2，式子中的C为超声波在空气介质中的波速。

本次设计是由STC89C52控制定时器产生超声波脉冲并启动内部的计数器开始计时，将电信号转化为超声波信号。通过计算超声波自发射至接收的往返时间差，从而得到实测距离，并用液晶显示器显示距离，从而达到测量距离的目的，当距离小于接收信号时，电路工作发出可以压缩的信号，传递给压缩系统，完成本文目的。

1.2  压缩系统

压缩系统装置通过接收超声波测距系统传输过来的信号，对垃圾箱内的垃圾进行压缩处理，以提高垃圾箱的空间利用率。压缩系统采用连杆机构，通过对机构的运动及动力进行分析，进行相关的结构设计及强度变形分析達到本文所设计的目标[6]。通过连接超声波传感器检测垃圾桶内垃圾高度，获取反馈信号，进而控制电动伸缩杆来回运动，同时实现压缩板对垃圾体积的压缩。

本文压缩结构的设计理念是为了节省空间，压缩面积大，采用可控制电动伸缩杆来进行压缩垃圾的工作。对伸缩机的具体要求为：

（1）电机提供能量。

（2）最终运动形式呈现出垂直方向上的直线运动。

（3）转换的直线运动要匀速，速度不宜过大。

（4）总体结构在停止压缩时，占用空间要小[7]。

2    可压缩式垃圾箱的设计结构

2.1  垃圾压缩装置结构

垃圾压缩装置是可压缩式垃圾箱的执行装置，接收超声波传感器传输过来的信号进行反馈，从而对垃圾箱内物体进行一定程度上的压缩，主要的装置结构为结构框架、感应系统、压缩系统[8]。

结构框架中，本文采用了一根立柱作为超声波传感器与压缩装置传感器的渠道，内含线路进行信息传递;在垃圾箱顶部，采用一块几乎等同垃圾箱口面积的压料板作为压缩垃圾的压缩板来进行压缩垃圾，具体的压缩长度视不同的垃圾箱型号所定。

装置的接收系统采用机器语言，接收传感器传输的信号进行编译，然后反馈给压缩系统，达到本文压缩垃圾节省空间的目的。本文初步设计压缩机能够达到75 kN的巨大压力，能够应付大部分可压缩的垃圾并且不会对垃圾箱造成损坏，如图1所示，在垃圾箱的底部添加感应装置，在达到垃圾箱的承重点时立刻停止压缩，并呼叫环卫工人对垃圾箱进行清理检查。

2.2  超声波测距传感器结构

可压缩式垃圾箱融入了超声波测距感应装置。超声波测距装置安放在垃圾箱的立杆处，保证垃圾箱在未达到75%容量时，超声波传回来的信号时间是一致的。

一旦时间发生变化，即可检测出垃圾箱容量已经超过75%，需要向压缩系统发出信号，电机下拉压缩板压缩到垃圾箱容量的50%;当垃圾箱达到90%容量时，再次启动电机，压缩至75%。

由于超声波测距模块较为简单，因此在实施的过程中较为方便。如图2所示，此外超声波模块采用C++语言程序进行编写，利用51单片机进行程序的实施。

3    微信小程序的设计

新型垃圾箱小程序的主要功能包括：识别垃圾箱型号、垃圾箱投放地点显示、垃圾箱动态容量检测、压缩垃圾的执行请求、垃圾箱其他数据显示。

用户启动小程序后，即可进入主页面，该页面有识别和容量两个界面选择。

在识别的界面中，用户可以输入垃圾箱型号或自动识别查询设备信息。如图3所示，点击垃圾箱型号大全，可了解不同型号垃圾箱的详细资料。

在容量界面中，有“垃圾满了先压缩”的提示语，下方可输入垃圾箱的编号，如图4所示。

（1）点击定位，查看垃圾箱的投放地点。

（2）点击箱体，显示垃圾箱内部的容量数据。

（3）点击压缩垃圾，便能执行压缩命令，增大垃圾箱的容量。

（4）点击数据，便能检测到超声波传感器、压缩结构、蓝牙模块、历史清理垃圾箱次数等的数据信息。

4    检测系统的测试

在社区投放可压缩式垃圾箱，通过投放时间的增长、垃圾数量的增多，测定不同时间段的可压缩式垃圾箱的容量，测得结果如表1所示。经过测试结果可知，超声波测距感应装置系统中获取的垃圾箱容量测量数据与垃圾箱实际储存量据的误差在合理范围内，满足实验和应用的需求。

5    结语

本文提出了一种基于超声波传感器的可压缩式垃圾箱容量检测系统，其目的是讓监管人员能够直接获取到垃圾箱动态容量数据，便于执行压缩垃圾的操作。智能垃圾箱采用可压缩系统，超声波测距系统，是机、电一体的科技新产品，提高了垃圾箱的利用率，更加人性化的微信小程序让人们更好地使用智能垃圾箱。在人力成本和智能化逐渐提高的今天，该系统合理分配环卫工人清理垃圾，提高环卫人员的利用率，实现人员以及公共资源的合理化配置，在一定程度上可压缩式垃圾箱的设计弥补了传统垃圾箱的不足，相信可压缩式垃圾箱能提高城市垃圾处理的效率，进一步提高城市服务水平，从而建设和谐美丽的城市。

[参考文献]

[1]臧维明，李月芳，魏光明.新型智慧城市标准体系框架及评估指标初探[J].中国电子科学研究院学报，2018（1）：1-7.

[2]陈佑钢，王宪周.城市生活垃圾处理技术综述[J].一重技术，2010（1）：1-4.

[3]杨磊.移动式垃圾压缩机的设计与研究[D].青岛：山东科技大学，2017.

[4]王雨欣，刘红，要军豪，等.基于STM32F103zet6控制的“智慧城市”垃圾箱设计[J].电子世界，2019（2）：136-137.

[5]宋苏阳，张文远，张捷，等.基于单片机控制的智能超声测距系统的设计[J].集成电路应用，2019（5）：113-114.

[6]林琳，管锋，张飞，等.自翻盖压缩式多功能智能垃圾桶结构设计及机构分析[J].机械工程师，2016（4）：98-100.

[7]赵天菲，王鸿翔.自动压缩垃圾的垃圾桶[J].中国科技信息，2013（12）：170-172.

[8]童聪，李双跃，李庭婷，等.生活垃圾箱内压缩变形特性实验平台设计[J].机械设计与制造，2012（3）：31-33.

Analysis of the detection system of the compressible

garbage bin based on the ultrasonic sensor

He Wangfeng1， Zheng Zhichao2

（1.College of Electronic Information Engineering， Tianjin University of Science & Technology， Tianjin 300222， China; 2.College of Electronic Information Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

Abstract：With the rapid development of urbanization in our country， it is more and more important to create a harmonious and beautiful urban environment， and the capacity of garbage bin in public places is limited， which leads to the problem of its surrounding environment being neither beautiful， but also easy to breed bacteria more and more obvious. In this paper， the garbage bin control system focuses on the key technical problems of garbage compression. It is proved by experiments that the system can intelligently detect the garbage capacity in the garbage bin through WeChat mini program， carry out automatic compression， and effectively solve the situation of garbage storage overtime or placing excessive garbage without cleaning up， which has strong practicability.

Key words：compressible smart garbage bin; Internet of Things technology; ultrasonic ranging