基于物联网的智能垃圾箱管理系统
2020-08-19
（山东农业工程学院，山东 济南 250100）
引言：近些年来随着人们生活水平逐步提高，人们对于自己周边的生活环境的关注度也愈来愈高，在此情况下，街道周边的垃圾箱问题，就成了人们关注的焦点，每次投放垃圾时，垃圾箱不是满溢就是苍蝇乱飞、臭味扑鼻，这种状况不仅十分的影响人们的心情，同时也在污染着周边的环境，垃圾箱满溢的情况下，垃圾堆积在垃圾箱旁边，或者四散在周围，传统城市垃圾箱成为城市环境保护中的癣疥之疾，成为许多城市环境卫生治理人员的心头病。
在这种情况下，基于物联网的智能垃圾箱管理系统，就显得十分的必要了，智能垃圾箱管理系统中的硬件部分—智能垃圾箱采用了封闭式的管理，这样垃圾箱内垃圾的异味就不会散发出来，而当有人靠近垃圾箱时，垃圾箱盖会自动打开，实现无接触式的垃圾丢弃，同时垃圾箱的满溢提醒设计，最大程度上解决了垃圾箱堆满溢出，污染环境、影响市容的问题。
智能垃圾箱管理系统的软件部分设计，为城市环卫调度以及城市垃圾箱定点合理规划投放提供了可能性，系统的PC管理终端起到了良好的监管调度作用，系统的Android客户端起到了提醒及供个人查看的作用，系统的云端数据库起到了大量数据存储的作用，云端数据库存储数据主要用以时间较长的数据分析，三者协同作用与城市各个街道安置的智能垃圾箱共同构成了智能垃圾箱管理系统，以最彻底、最高效、最智能化的方案解决了传统垃圾箱给城市带来的诸多问题。
1 智能垃圾箱管理系统的优势和整体结构
1.1 智能垃圾箱管理系统的优势
第一，智能垃圾箱在便捷性和环境友好程度上要超过传统的垃圾箱，智能垃圾箱拥有优于传统垃圾箱的自动开盖功能，这样当人们扔垃圾的时候，就可以实现无接触式的丢弃垃圾，干净卫生又便捷，另外不同于传统垃圾箱露天式摆放，智能垃圾箱在不使用的时候是关闭的，避免了垃圾箱内部垃圾味道散发出来，最大程度上降低了垃圾箱对于周边环境的影响。
第二，智能垃圾箱在卫生程度上要优于传统的垃圾箱，传统的垃圾箱存在因为清理不及时，造成垃圾箱内的垃圾腐臭，垃圾箱外的垃圾堆砌污染垃圾箱外壁的情况，而智能垃圾箱则不存在这个情况，因为智能垃圾箱实时处于监控和垃圾箱自身反馈的状态下，不存在长时间不清理甚至满溢的情况。
第三，更加的智能化和科学化，智能垃圾箱在自身满溢或者将要满溢的时候，会发送相关信息给系统云端，系统的PC管理终端可以及时联系垃圾箱清理人员清理垃圾箱垃圾，同时也可以在终端看到在线的所有垃圾箱的实时状况，在智能垃圾箱满溢反馈之前，提前一步通知垃圾箱清理人员进行清理，整套系统运转起来，相较于传统的垃圾箱管理工作而言，充分的体现了智能垃圾箱系统的智能化和科学化。
第四，能够实现自给自足，智能垃圾箱能量供给上采用的是太阳能电池板和蓄电池组协同作用蓄电供电机制，再加上对整个智能垃圾箱个体而言，用电量不算大，智能垃圾箱自身收集的电量足够自身使用。
此外智能垃圾箱管理系统在合理的应用下，是可以产生较为客观的经济效益的，而智能垃圾箱管理系统产生的经济效益，足以维持智能垃圾箱管理系统的维护和管理工作正常进行。
1.2 智能垃圾箱管理系统整体结构
智能垃圾箱管理系统共分为两大部分，分别为智能垃圾箱硬件部分以及软件部分，智能垃圾箱管理系统整体示意图如图1所示，智能垃圾箱管理系统的硬件部分，整体来看，就是安置在城市各个街道的智能化垃圾箱，而一个智能垃圾箱又分别由红外感应模块、超声波探测模块、火灾报警模块、核心处理模块、太阳能蓄电模块、电机驱动模块构成，智能化垃圾箱六个模块共同作用，共同完成垃圾箱垃圾深度自动探测，有人靠近自动开盖，人离去自动关闭，垃圾箱满溢自动提醒等智能化功能。
在智能垃圾箱管理系统软件部分系统PC管理终端上，管理人员可以实时的看到城市垃圾箱的各项数据，垃圾箱负载情况如何、是否满溢或者是将要满溢、是否出现故障或者火情等等。而当城市垃圾箱出现状况的时候，系统PC管理终端会收到相应垃圾箱反馈的警报信息，Android客户端也可接受相关提醒消息，进行下一步处理。
图1 智能垃圾箱管理系统整体示意图
智能垃圾箱云端可以大量的存储相关数据，智能垃圾箱终端管理人员可以根据云端数据库一段时间内的相关数据，对某条街道或者是某个区域的垃圾箱数量以及垃圾箱清理人员进行调配，例如，同样时间内，某区域垃圾箱满溢次数多，可以向该区域多投放垃圾箱并且向该区域增加垃圾箱清理人员，某区域垃圾箱满溢次数少，可以适当的减少垃圾箱的投放数量，同样也可以相应的减少垃圾箱清理人员数量。
2 智能垃圾箱管理系统硬件部分相关设计
系统的硬件部分总共可以分为六个模块，分别为红外感应模块、超声波探测模块、火灾报警模块、核心处理模块、太阳能蓄电模块、电机驱动模块。
2.1 红外感应模块
红外感应模块这里选用的是HC-SR501模块，如图2所示，主要用于感应是否有人靠近垃圾箱，当有人在探测距离内靠近垃圾箱时，红外感应模块传输信号给核心处理模块中的单片机，单片机进行响应，通过驱动芯片（ULN2003）驱动步进电机正转，完成垃圾箱的开盖动作，当红外感应模块感应到人离开时，同样传输一个信号给单片机，单片机在延时后驱动步进电机倒转，完成垃圾箱的关闭动作。
2.2 超声波探测模块
超声波探测模块这里选用了HC-SR04超声波测距模块，探头结构如图3所示，主要应用于垃圾箱内垃圾高度的测量，超声波测距传感器工作原理是由垃圾箱顶端向垃圾箱内发射超声波，当发出的声波碰到阻碍垃圾的时候，声波会反射回来，被超声波测距传感器的声波接收探头接收，从而实现超声波测距模块对于垃圾箱内垃圾高度的实时监测，当垃圾箱内垃圾将满或者已经满溢的时候，主动向管理系统PC端发送垃圾箱满溢消息，以便垃圾箱能够尽快的被清理，再次投入使用，从而提高垃圾箱使用效率。
图2 人体红外感应模块hc-sr501
图3 超声波测距传感器原理图
2.3 火灾报警模块
火灾报警模块在智能垃圾箱系统中，属于预防和保护模块，在日常垃圾丢弃时，难以避免会有类似于烟头等可燃物被不小心丢进了垃圾箱，这将会造成垃圾箱内物体燃烧，甚至会燃烧损坏垃圾箱部件，甚至会火势蔓延引发火灾，因此预防是十分必要的，此外，相较于传统的垃圾箱而言，智能垃圾箱制造成本也相对更高，火焰引起的高温容易造成垃圾箱零部件的损坏，因此合理的自我保护是十分必要的，火灾报警模块主要由烟雾传感器和核心处理模块一部分构成，分别用到烟雾传感器、单片机以及通信模块，烟雾传感器通过通信模块将火情信号发送给系统PC管理终端，系统PC管理终端将相关情况通知该垃圾箱附近工作人员，工作人员前去灭火救援。
2.4 核心处理模块和通信模块
核心处理模块是整个智能垃圾箱系统硬件部分的核心模块，是整个垃圾箱的大脑，核心处理模块功能的实现依靠的是单片机，此处选用的单片机为STC89C52单片机，引脚原理图如图4所示，STC89C52单片机对其余各模块进行管理控制，从而保证垃圾箱具体功能的实现，通信模块保证智能垃圾箱信息反馈机制正常工作，从而实现智能垃圾箱“联网”的功能，智能垃圾箱可以通过通信模块部分，将自身状况发送给终端，终端根据通信模块发送过来的信息判断垃圾箱的实际状态，实现智能垃圾箱联网可视化管理。
图4 STC89C52单片机引脚原理图
通信模块对于诸多街道智能垃圾箱的主要应用是ZigBee自组网，ZigBee模块外接5DB天线的自组网一般最远的传输距离为二百米到二百五十米，而根据调查显示目前我国街道垃圾箱密度大概为每一百五十米左右一个，因此ZigBee传输距离足够，可以实现城市街道之间垃圾箱的自组网功能，具体示意图如图5所示，每一个垃圾箱都是一个ZigBee传输节点，可以采用的拓扑结构也灵活多样，可以采用树形结构和网状结构，树形结构的优势明显，每天道路之间垃圾箱组网情况条理清晰，但是坏处也显而易见，一旦某个垃圾箱节点出现问题，就可能导致树上的某个分支的垃圾箱全部无法工作，所以多方比较之下，网状结构更加适合我们垃圾箱组网要求，再加上ZigBee模块成本低且具备很高的稳定性，同时功耗极低，正适用于城市内街道智能垃圾箱的通信，进行相关信息的传输。
图5 智能垃圾箱ZigBee自组网进行信息传输原理图
2.5 太阳能蓄电模块
太阳能蓄电模块主要包括了垃圾箱上覆盖的太阳能蓄电电池板以及埋藏在整个垃圾箱下方的垃圾箱蓄电池，智能垃圾箱在外界有光且光照情况较强的时候进行蓄电，垃圾箱内的蓄电池用于储存智能垃圾箱使用不了的电量，以用作没有阳光的夜晚或者是阴天的情况下智能垃圾箱的供电工作，此外底部的蓄电池箱可以作为对于智能垃圾箱的一个保护装置，因为蓄电池要比智能垃圾箱埋的更深，同时也比垃圾箱更为沉重，因此可以用做垃圾箱的固定装置，这样就能够在一定程度上保证垃圾箱不被移动，从而一定程度上保证垃圾箱不被破坏，智能垃圾箱外观设计如图6所示。
图6 智能垃圾箱3D外观图
2.6 电机驱动模块
电机驱动模块，主要采用的是步进电机，而步进电机主要实现的功能则是驱动垃圾箱的开盖和关闭功能，选择步进电机主要是因为步进电机自身的优越性，步进电机支持短时间内的骤然转动和骤然停止，这一特性毫无疑问对于垃圾箱的开盖十分关键，因为垃圾箱使用者投放垃圾时间较短，一般情况下给垃圾箱开盖的准备时间是从人进入红外感应模块探测范围之内的一到两秒时间，这种情况下，电机驱动模块的选择上，步进电机就显现出来无比强大的优越性。
3 智能垃圾箱管理系统软件部分相关设计
系统的软件设计主要包括了云端、PC管理终端以及Android客户端三部分。
3.1 云端
云端主要用于采集和存储来自智能垃圾箱的数据，并提供WEB网站服务，以供PC管理端通过网页形式访问智能垃圾箱相关数据。此处云端数据库使用的是华为云数据库，以便于系统PC管理终端随时对历史相关数据进行调取分析。此处使用的网站使用ASP.NET开发，使用IIS进行发布，如图7所示。
图7 云端IIS设置
具体使用场景有，系统PC管理终端可以调取云端数据库内数据，对垃圾箱的投放状况进行分析，智能垃圾箱容易满溢的地方，多投放一些垃圾箱，多调配一些垃圾箱清理人员，不容易满溢的地方，则相应的减少智能垃圾箱的投放，少分配垃圾箱清理人员，从而避免资源浪费；另外足够长时间内，某区域垃圾箱满溢次数多的情况下，将意味着该区域人流或者人居住密度较大，可以分析出更多的问题来，或可产生可观的经济效益；另外可以根据长期数据，分析垃圾箱的故障率，故障率较高区域进行重点监管，了解高故障率实情，从而保证智能垃圾箱的正常运行。
3.2 PC管理终端
PC管理终端主要实现的功能是对于所有“联网”智能垃圾箱总体的管理，系统正常工作期间，系统PC管理终端将从云端接收智能垃圾箱反馈的信息，反馈的信息一般分为两类，第一类是垃圾箱的满溢的信号，当PC管理终端收到这个信号的时候，会通过云端给系统Android客户端发送信息，通知垃圾箱清理人员前去清理垃圾箱，第二类则为报警信号，一般为某个垃圾箱因为未知原因出现状况，例如火情警报，这种情况下燃烧的烟雾会导致智能垃圾箱报警，当系统PC管理终端收到垃圾箱火情报警的信号的时候，立即通知垃圾箱就近的垃圾箱清理人员前去扑灭可燃物，及时灭火止损，系统PC管理终端模拟构造图如图8所示。
图8 系统PC管理终端模拟构造图
另外就是智能垃圾箱管理系统PC端管理员可以通过系统PC管理终端查看整个城市的垃圾箱的状态，除了可以由垃圾箱自身监测满溢之外，系统PC管理终端管理人员还可以通过人为的方式，对垃圾箱的状态进行管理，监测垃圾箱状态，及时的对垃圾箱清理人员进行调度，另外因为垃圾箱采用的是ZigBee自组网的方式传输信息的，那么当某个垃圾箱部分功能丧失的时候，就可能出现自组网某个节点的故障，信息无法进行传输，可能是某个垃圾箱长时间未发送信息，也可能是垃圾箱电池报废，智能垃圾箱直接“掉线”，这在系统PC管理终端都可以看的出来，从而实现对于城市智能垃圾箱的科学化的管理。
在整个过程中，智能垃圾箱的相关信息，都会传到系统的云端数据库，云端数据库将相关的数据进行存储，以便于PC管理终端后期的管理监控。
3.3 Android客户端
Android端实现的主要功能分别为通知和查看功能，通知功能为接收云端信息，对于自己负责的智能垃圾箱进行满溢清理以及灭火等突发状况的处理。
通知功能显示为文字形式，具体如图9所示，但是考虑到目前垃圾箱清理人员组成结构较为复杂，有较为年轻的从业者同时也有年纪较大的从业者，Android客户端根据使用者的认证进行识别，年轻从业者和老年从业者可以选择文字和语音播报形式接收通知，但是高龄从业者默认开通手机息屏状态下语音播报功能，从而起到及时提醒的作用。
图9 系统Android客户端模拟构造图
查看功能则是实现了用户在Android客户端可以人为的查看自己负责的区域内的垃圾箱的状态，提醒界面图形化、百分比化、数字化，使用者可以在一个地方，查看自己整片负责区域内垃圾桶状况，实现个人终端管理，更加便捷的同时也避免了体力浪费。
4 结语
随着近些年来智能科技的高速发展，智能化的生活和智能化的城市建设，将成为未来智能化中国建设的重要一环，而如今面临的传统垃圾箱的各种问题，利用智能化的手段去解决这个问题，是一种迎合时代发展要求的做法，智能垃圾箱管理系统，智能硬件部分解决了传统垃圾箱的诸多弊病，软件部分实现了当今大数据时代要求的数据化以及可视化管理，使垃圾箱管理更加条理、更加方便、同时也更加智能化，适应了人民的真实需求，本文基于物联网的智能垃圾箱设计主要是提供了一种能够解决问题，并且适应当下需求的可行性设计。
而在解决了城市街道传统垃圾箱诸多弊端的同时，基于物联网的智能垃圾箱管理系统在某种意义上来讲也可以带来相当可观的经济效益，除了应用于城市街道之外，智能垃圾箱管理系统同样可以应用于住宅楼社区、或者向城乡结合区域进行推广，应用于住宅小区主要是对接物业，收取智能垃圾箱系统使用费用以及后期的维护费用，而对接城乡结合部分或者是下乡，智能垃圾箱管理系统的出售或者是落实者，将需要提供相应服务或更多的增值服务，因此智能垃圾箱可以创造的效益无论是潜在的还是深层次的利益都无比巨大的，前景光明。
