基于物联网的高校智能垃圾桶设计*

2021-08-19程艺明王焯熙杨东伟孟令月冯国红

科技创新与生产力 2021年7期

刘梦，程艺明，王焯熙，杨东伟，孟令月，冯国红

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨 150040）

据相关调查报告显示[1]，我国每年在校大学生约3 700万人，按照人均垃圾日产生量1.12 kg计算，大学生群体平均每天可产生超过4万t的垃圾，高校垃圾处理问题越来越引起人们的关注。然而，现阶段很多高校在垃圾处理方面仍存在许多问题，如室内采用“一桶式”垃圾桶、宿舍楼等人员密集区域的垃圾得不到及时清理等。为维护校园环境卫生和提高师生生活满意度，现基于物联网技术设计了一种智能垃圾桶，建立了一个智能垃圾桶信息处理网络，增加了垃圾桶的投掷引导功能[2]，并能将满溢信息及时反馈给工作人员，以便工作人员及时清理垃圾，从而改善上述问题。

1 智能垃圾桶设计理念

现基于物联网技术研制一种高校智能垃圾桶，该垃圾桶上设有功能集成区，在其内部利用单片机建立检测模块、Wi-Fi模块和显示模块等，见图1。

图1 垃圾桶的总体功能模块

单片机作为中间控制枢纽，可接收到检测模块中红外传感器对垃圾桶满溢状态的实时监测信号，并通过单片机与Wi-Fi模块相连实现其网络传输功能，将当前垃圾桶的信息上传至云端，并及时反馈给清洁人员。每个垃圾桶可以通过Wi-Fi模块从云端调取其他垃圾桶的ID信息、满溢信息，并发送给单片机，再由单片机将信号传递给可视化的有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）屏，直观地告诉使用者附近未满垃圾桶的信息，从而实现垃圾桶的投掷引导功能[3]。

此外，根据高校产生垃圾的特点对垃圾的分类进行细化，设计垃圾桶的外观和结构，使之外观和功能更突出、更具有辨别引导功能，从而增强人们的垃圾分类意识和提升垃圾的回收利用率。

2 智能垃圾桶整体设计

该智能垃圾桶由智能化设计部分及垃圾桶的结构和外形的再设计两部分组成，整体设计见图2。

图2 垃圾桶的整体设计图

2.1 垃圾桶的智能化设计

垃圾桶的智能化设计主要由检测模块、Wi-Fi模块和显示模块三部分组成，分别实现检测功能、物联网功能和引导功能，通过物联网技术建立起一个智能垃圾桶信息处理系统，见图3。

图3 总体网络示意图

2.1.1 检测模块的设计

为实现垃圾桶的满溢检测功能，需要在垃圾桶内安置测距传感器，以获悉桶内垃圾满溢状况。现采用ORA1L03-A0红外测距传感器来检测垃圾桶的满溢状况。红外传感器可根据距离障碍物的远近而改变输出电压，将其安装于垃圾桶顶部，测量桶内垃圾距离垃圾桶顶部的高度，根据单片机接收到的输出电压的反馈值，便可知道垃圾桶的满溢情况，见图4。

图4 垃圾桶检测模块设计图

2.1.2 Wi-Fi通信模块的设计

为了实现垃圾桶的网络通信功能，每个垃圾桶都有内置Wi-Fi模块，将串口或晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic，TTL）电平转为符合Wi-Fi无线网络通信标准的嵌入式模块，从而将垃圾桶的ID信息、满溢信息实时向云端服务器上传，建立起一个智能垃圾桶信息处理网络。

Wi-Fi模块与云端服务器的连接是双向的[4]。对于工作人员而言，垃圾桶利用Wi-Fi模块将ID信息、满溢信息实时向云端服务器上传，工作人员可在服务器的后台获取校园内所有垃圾桶的ID信息和满溢信息，通过对校园各处垃圾桶满溢信息进行数据分析，判断是否需要清理，并视情况适当调整所布置垃圾桶的种类和数量，以使垃圾桶更好地服务于校园卫生。

对于使用者而言，每个垃圾桶还可通过此Wi-Fi模块从云端调取其他未满垃圾桶的ID信息，通过单片机将信号传递给显示模块，实现后续垃圾桶的投掷引导功能。

2.1.3 显示模块的设计

基于前述满溢检测功能和物联网技术，单片机可接收到其他垃圾桶的ID信息、满溢信息，并将信号传递给显示模块。垃圾桶利用显示模块中可视化的OLED屏幕实现投掷引导功能：若垃圾桶未满，OLED屏幕上显示垃圾分类提示信息和当前垃圾桶的使用方法；若垃圾桶已满，OLED屏幕上显示附近其他同类垃圾桶的信息。两种显示状态见图5。