基于物联网技术的智能垃圾回收系统设计

杨莫寒，张澎涛，白旭，冯艺，姚可欣，王仕臣

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

本项目积极响应国家“十四五”生态环境保护规划，针对目前主流垃圾回收装置在垃圾回收时存在的处理缓慢或者遗漏处理的现象，导致最终效果不理想，物联网技术几乎没有被应用于垃圾分类回收方面[1]。物联网是未来产品的重要发展方向，但现在针对垃圾回收的物联网设计却很少，因此我们希望开发出一款可以实现垃圾自动打包功能并且与物联网协同的装置[2]。

1 物联网技术简介

物联网就是利用各种传感器装置与技术，实时采集相关的需求并进行监控、连接与互动相关过程；并且可以通过布网技术以及相关网络通信技术、自动控制技术、公共安全技术、云计算等将产品设施集成，构建一个相对完整的管理系统，提高系统的便利性、舒适性、艺术性和安全性等[3]。物联网是未来产品的重要发展方向，但现在针对垃圾回收的物联网设计却很少。

2 项目实体构建

2.1 研究路线

研究路线如图1所示：

图1 项目研究路线图

在垃圾回收部分，我们采用步进电机作为驱动，设计控制电路，进行真空密封处理，使用真空抽气机进行真空密封。

在物联网部分，每个子装置会设置Esp8266串口转WIFI模块与STM32F407最小系统板采集数据并发送至云端。主机采用Zigbee节点作为终端，可以精确地采集各节点发送的数据，之后通过我们自主研发的APP结合Floyd算法求出垃圾回收最短路径[4-5]，并根据GM（1,1）灰色预测模型预测部分地区情况处理数据，作为终端以实时监测并调度。

2.2 系统原理

系统原理图如图2所示：

图2 系统原理图

当垃圾回收装置将垃圾进行一次打包后，垃圾桶内置的单片机检测垃圾回收装置内部情况（包括垃圾桶内每种垃圾剩余可储存容量，上一次垃圾清理的时间等）并且将这些信息通过ESP8266串口转WIFI模块，将信息传送至云端，之后主机接收到信息进行分析与处理,通过Floyd算法求出垃圾回收最短路径，并根据GM（1,1）灰色预测模型预测部分地区情况，可以有效的减少一些垃圾车的种类以及垃圾车的数量，方便对每一种类垃圾车派遣的地方进行规划。例如垃圾剩余存储容量较大的情况下，则该回收装置在短期内不需要垃圾车进行清理。这种通过预测数据来进行垃圾车有效分配的方式不仅可以有效地减少人力需求，还能提高垃圾分类的效率，达到垃圾处理的智能便捷化。同时，垃圾桶在一段时间内上传的数据也会被记录，通过大数据的预测与处理，之后垃圾桶的投放会因此受到一定的影响，如果某一地区的垃圾排放量较大的话，就可以考虑适当的增加垃圾桶投放的种类与数目，这样可以更好地实现资源的再次利用。

2.3 项目综述

基于物联网技术的智能垃圾回收系统目标是基于物联网技术、检测技术、单片机控制原理、自动控制理论、机械原理、电机拖动、单片机控制原理等知识，以单片机为核心，结合检测电路、控制元件及机械结构的设计，将不同类别的垃圾进行处理，将采集的信号进行分析处理，之后将数据上传云端，主机对上传数据进行整合预测，之后进行回收垃圾路径的规划，实现物联网系统协作从而实现垃圾二次处理的智能便捷化，开发出一款可以实现垃圾自动检测、自动处理功能并且与物联网协同的装置。基于物联网的可自动分类垃圾装置，可以很大程度上提高垃圾回收效率，减少垃圾处理方面的劳动力需求，降低垃圾处理的成本。本项目主要分为两部分：

（1）实体垃圾自动化处理装置。当垃圾被投放在垃圾回收装置内时，系统可以将垃圾进行打包处理以减小垃圾所占空间，并检测垃圾回收装置内部剩余容量，为上传云端数据作准备。

（2）物联网智能化协作。当垃圾分类处理完成后，会将不同种类垃圾的数量以及装置内每类垃圾可继续存储的容量等信息上传云端。后台进行数据的处理与分析，对容量即将达到上限的垃圾桶，会派指定垃圾车（与垃圾种类一一对应，以防止出现同种垃圾车装不同垃圾，导致垃圾回收效率变低问题）进行处理，同时通过Floyd算法求出垃圾回收最短路径，提高回收效率，同时，物联网进行数据分析后可以有效的减少一些种类垃圾车的数量，以及根据GM（1,1）灰色预测模型预测部分地区情况，实现物联网系统协作，从而实现垃圾二次处理的智能便捷化。

3 项目软件介绍

工作之余提高效率成为越来越多人的选择，而生活垃圾综合回收处理系统正是以此为契机开发出的软件，系统集生活垃圾综合回收处理、界面、设备管理、管控日志为一体。从系统开发的角度出发，软件把系统按功能逐次分割成层次结构，使每一部分完成简单的功能且各个部分之间又保持一定的联系。在操作阶段,基于这个功能的层次结构把各个部分组合起来成为系统，并采用了SQL SERVER 2008数据库，使得本系统可以方便地和其他子系统进行数据交换。本系统的结构图如下图3所示。

图3 系统结构图

概念结构操作根据需求核对抽象出信息结构，该系统的E-R图（实体-联系图，Entity Relationship Diagram）如下图所示，提供了表示实体类型、属性和联系的方法，用来描述现实世界的概念模型）

图4 产品信息管理E-R图

图5 控制考核管理E-R图

系统集实时监控预警、最优处理、数据采集与存储等功能为一体，能够更直观地显示各类数据，并根据不同情况给予操作者建议，还能根据操作者的要求，进行设备的添加或者删除。并且可以多个相同的系统可以进行组网，互构成子母系统，或者结合现场总线控制方式，以该系统作为主控制器结合各个执行器（智能垃圾桶）组成小型物联网，使垃圾的处理更加智能化和简易化，改变了原有的垃圾处理方式。

5 结语

通过研究基于物联网的智能垃圾回收系统，以最大限度地实现垃圾处理的便捷智能化，此项目的探索有如下优点：（1）概念新颖，与时代结合紧密，能够有效解决垃圾分类的难题，因此对资源的有效和高效回收具有开创性的意义，应用前景十分广阔；（2）基于物联网的智能垃圾回收系统通过物联网宏观调控，可以有效降低垃圾回收人工工作强度，提高了工作效率并改善了垃圾箱环境，比一般垃圾桶更为人性化；（3）应用范围广，发展前景大，符合国家环保要求；（4）模块化程度高，并且体积适中，易于安装、调试和维修，可以拓展附加功能。