一种垃圾箱容量监测系统的设计

王楠，段学习，孙玉军

（沧州职业技术学院，河北沧州，061000）

0 引言

目前，在垃圾箱的使用、清理和监管等环节，主要存在以下几点问题：一、某些区域用户或路人需要扔垃圾，但看到垃圾箱已满后，不能找到附近较空较近的垃圾箱，在这种情况下可能会乱扔垃圾。这样不仅会污染周边环境，也增加了清洁人员的打扫负担；二、对于垃圾数量较少的垃圾箱与垃圾数量较多甚至常常满溢的垃圾箱，清洁人员的清理频率相差无几，导致清理工作频率高、负担重但是效果却不佳；三、卫生监管部门无法知道整个城市或区域内的垃圾分布量多少的信息，导致垃圾箱布局规划的不合理甚至造成资源浪费。

本设计中的垃圾箱基于物联网技术和嵌入式技术，利用单片机为主控芯片，可以实现实时地监测垃圾箱体内剩余垃圾容量并上传后台数据中心，由数据中心统一调度，对于区域用户或路人扔垃圾可以就近提醒较空垃圾箱的位置信息，对于垃圾箱清理不及时的情况实时报警、督促清理人员及时打扫，对于垃圾箱布局不合理及时上传数据、卫生监管部门及时调整垃圾箱布局等功能。因此，与传统的垃圾箱相比，该垃圾箱更节能环保，减少了区域用户或路人乱扔垃圾的现象，降低了清洁人员的人力成本，提高了垃圾箱的使用效率，可广泛应用于城市街道、社区公园、旅游景区等场所，具有很大的市场前景[1-4]。

1 系统整体设计方案

该垃圾箱由单片机STM32系统、容量检测模块、容量显示输出模块、物联网模块、按钮模块、时钟模块、红外感应模块、电源模块构成。系统的整体设计方案如图1所示。

图1 系统整体设计方案

2 系统硬件

■2.1 控制核心模块——单片机STM32F103C8T6

本设计采用32位单片机STM32F103C8T6作为系统的控制核心，其内核为ARM Cortex-M3，工作频率最高为72MHz，工作电压为2～3.6V，有64KB的闪存，20KB的SRAM，37个I/O口，16个与通用端口GPIO映射的外部中断EXTI，1个16位高级控制定时器，3个16位通用定时器，3个USART串口通信模块等，具有运行速度快、处理能力强、外设接口丰富、价格低廉等特点，专门应用于低功耗、对性能要求较高以及成本要求较低的的场合。

■2.2 电源模块——太阳能电池板结合12V蓄电池

本设计选用了太阳能电池板与12V蓄电池结合的方式为整个系统供电。晴天的时候太阳能电池板可自行充电并给系统供电，晚上或阴天的时候可通过蓄电池自给供电。太阳能电池板位于整个垃圾箱体的顶部，以便更好地接受太阳光并加以充电,将转化后的电能存入12V蓄电池中供整个系统使用。考虑到12V蓄电池的重量，为了降低垃圾箱体的重心，提高垃圾箱体的稳固性，避免大风刮倒垃圾桶造成垃圾箱内部精密元器件的损坏，本设计将12V蓄电池放置在垃圾箱体的最下方位置。

■2.3 容量检测模块——超声波测距传感器HC-SR04

垃圾箱内垃圾剩余容量的空间可通过超声波测距计算得到。超声波测距是一种检测迅速、计算简单、方便低廉的非接触式检测技术，不会受光线、颜色等因素影响，即使恶劣的环境 (如含粉尘) 也有一定的适应能力。本设计采用超声波测距传感器HC-SR04对垃圾桶内的剩余空间进行测量。超声波测距传感器HC-SR04提供脉冲信号，超声波发射器即可发出超声波信号，超声波信号遇到垃圾箱内的垃圾即反射回来，被超声波接收器接收。再根据发送与接收到的超声波时间差，即可计算出垃圾箱内垃圾的剩余空间。

■2.4 容量显示输出模块——LED灯条WS2812B-8

垃圾箱内垃圾的容量显示输出模块采用LED灯条WS2812B-8，根据灯条上亮灯的个数，可以读取到垃圾箱内垃圾容量的多少。其由晶元5050型RGB 贴片灯珠组成，灯珠内置WS2812B-8贴装于FPCB(柔性线路板)上，耐折易弯曲，可以用3M胶纸或者卡扣螺丝固定。遇到雨雪天气，防水等级可达到IP68。采用低电压直流供电安全方便，成本低廉，更换方便。具有多种发光颜色，夜晚色彩绚丽。

■2.5 物联网模块

本设计基于物联网通讯技术（NB-IoT），结合3G/4G网络开发数据采集、监测调控等应用的垃圾处理设备。在垃圾箱装满了以后，能够告知路人附近较近较空的垃圾箱的位置信息；清洁人员只需根据手持的无线终端上的信息，对相应的垃圾箱进行清理；卫生监管部门可以从终端机中获取整个城市或区域的垃圾分布信息，对垃圾箱的分布根据实际需求进行调整。

■2.6 红外感应模块

本设计系统利用红外传感器和步进电动机联合工作完成。在垃圾箱的正面以及侧面安装红外传感器。当红外传感器检测到人与垃圾箱之间的距离小于预设距离时, 红外传感器将检测到的信号发送给单片机，以控制步进电机的转动，从而实现垃圾箱自动开关盖的功能，在没有感应的时间内，垃圾箱一直处于关闭状态。这样也防止了垃圾箱内恶臭气味外泄以及避免人与垃圾直接接触[2]。

3 系统软件

■3.1 单片机主程序

单片机采用C语言进行编程，系统软件可分为主程序和各模块子程序。最重要的模块子程序就是检测垃圾箱体容量，进而显示输出并报警的过程。其系统流程框图如图2所示。

图2 垃圾箱容量检测程序

■3.2 物联网系统

物联网系统实时更新监控数据，其中主要包括了垃圾处理、环境监测数据、实时监控、异常状态查询、统计报表查询等功能模块。用户在点击垃圾处理按钮以后，进入到处理中心界面，界面就会出现垃圾处理的详细信息。用户在点击环境监测数据按钮以后，进入到环境监测数据界面，界面就会出现环境监测数据的详细信息。用户在点击实时监控按钮以后，进入到实时监控界面，界面就会出现实时监控的详细信息。实时监控界面其中主要包括了时间选择、站点选择、监控画面等信息。如图3实时监控界面所示。点击相应的按钮，可对时间、区域、报警信息、视频、记录进行选择设置或选择查看。

图3 实时监控界面

4 总结

本设计充分体现了节能环保的要求，解决了部分投放者不想多走路乱扔垃圾的问题，帮助了清洁人员及时扫打的问题，对于卫生监管合理布局垃圾箱提供借鉴。同时利用物联网技术，依据卫生部门后台统计积累的数据，通过分析区域用户或路人垃圾倾倒的习惯，制定清洁人员垃圾打扫的策略，调整卫生调度部门各区域垃圾箱的预置存放位置，有效解决环卫部门的工作压力，提升了清洁人员和调度人员的工作效率，为智慧城市的发展做出贡献，这也符合我国环境保护可持续发展的目标要求[5]。