便于智能化管理的公共垃圾桶的设计与实现

吴伟烈，刘如军

（岭南师范学院 电子与电气工程学院，广东 湛江 524048）

0 引 言

垃圾的处理问题已经成为全球性问题。随着人工智能技术的成熟以及人们生活水平的提高，人们也愈发追求智能化的生活。智能家居、智慧城市发展迅速，而垃圾桶作为生活中不可缺少的工具之一，并未随着智慧城市的发展而得到快速改进，很多公众场所仍然使用着传统的大型垃圾桶。传统垃圾桶露天放置，装满后若不及时清理，容易散发异味和滋生细菌，甚至污染环境。目前，市面上出现的智能垃圾桶，如自动翻盖垃圾桶、踢碰感应垃圾桶、自动报满垃圾桶，它们功能单一、价格昂贵，而且适用范围小，大多只满足于家用。

针对以上问题，本文设计了一款基于智能化管理的公用垃圾桶。该智能垃圾桶以Arduino作为主控，结合一系列传感器感知垃圾桶的状态信息，通过ESP8266模块将状态信息及时上传到服务器，环保部门可以通过微信小程序实时查看垃圾桶的信息，若垃圾桶装满而产生溢出或桶内温度过高、桶内起火等情况则自动报警。

1 系统构成

本设计主要具有定位、自动开盖、语音提示、判断垃圾桶是否装满等功能。单片机通过ESP8266模块将垃圾桶的编号、状态等信息与服务器进行数据交互，微信小程序获取服务器的数据后在用户端显示状态信息。用户或环卫部门可以通过访问微信小程序得知垃圾桶状态，并且可以统筹规划特定区域内垃圾桶的摆放。系统网络拓扑结构如图1所示。

图1 系统网络拓扑结构

2 硬件设计

系统硬件主要以Arduino单片机作为主控，系统整体框架如图2所示，主要由太阳能充电模块、红外检测模块、通信模块、高度检测模块、温度检测模块、语音播放模块等组成。

图2 系统整体框架

系统以单片机微处理器为主控芯片，结合人体红外传感器和机械电子驱动系统实现垃圾桶盖自动开启。利用桶内置温度传感器和桶盖上超声波模块检测垃圾桶的状况，若超过预定的阈值时，垃圾桶自动开启功能失效并触发报警功能。通信模块定时将垃圾桶的状态信息上传到服务器，显示模块显示垃圾桶内温度及内部空间情况。用户可以通过微信小程序查看垃圾桶的状态信息。当智能垃圾桶内置锂电池电压不足时，太阳能电池板自动对锂电池进行充电，满足垃圾桶的用电需求。

2.1 自动开盖系统

垃圾桶的自动开盖系统是由人体感应模块、超声波模块以及电机组成的机械驱动系统。通过超声波高度检测模块检测垃圾桶内部的空间，当桶内空间充足，单片机获取人体感应模块返回的信号为高电平时，控制继电器带动电机正转，实现开盖。若单片机获取安装在垃圾桶内部边沿的红外接收器返回信号为低电平时，说明垃圾已正确投放，控制继电器带动电机反转，实现合盖；若检测不到红外接收器返回的低电平，则延时一定的时间后，进行合盖操作。当内部空间不足时，不进行任何自动开盖操作，同时短信通知用户及时清空垃圾桶。自动开盖系统工作流程如图3所示。

图3 自动开盖系统工作流程

2.2 语音播放模块

本系统的语音播放模块采用集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片WT588D，可通过配套软件WT588D voiceChip实现语音组合播放、插入音乐等功能，设计时通过拉高WT588D的I/O口进行初始化，根据需要拉低某一引脚即可播放相对应的语音。语音播放流程如图4所示。

图4 语音播放流程

2.3 定位

本设计采用ATGM332D北斗和GPS双模定位模块，该模块具有成本低、体积小等优点，通过模块输出的数据可以获取北京时间、经纬度、海拔高度、速度和航向等常用的基本信息，还可以获取当前的定位质量和定位模式、连接的GPS系统卫星数量和北斗系统卫星数量。图5为定位模块与单片机引脚连接图。

图5 定位模块接线图

当在室外公共场所进行定位时，大概需要1 min左右的时间便可以获取垃圾桶所在位置数据；根据分析返回的数据帧获取当前的经纬度信息，通过通信模块将经纬度信息上传到服务器；微信小程序利用腾讯地图的逆地址解析，在地图上标志当前的位置信息。定位效果和当前位置效果如图6所示。

图6 定位垃圾桶及使用者当前位置

3 软件设计

3.1 系统软件

系统初始化后播放开机语音，并进行系统联网和定位。当温度正常、内部空间足够时，若有人靠近，执行自动开盖功能和语音播放功能；若温度过高或者内部空间不够，则不开盖并执行相对应的报警功能。系统定时上传智能垃圾桶内温度、内部空间情况以及定位信息到服务器。软件系统流程如图7所示。

图7 系统软件流程

3.2 APP设计

利用巴法云发布订阅模式设置好主题，通过ESP8266模块向设置好的主题发送消息，已订阅该主题的微信小程序会实时收到信息，显示出智能垃圾桶的状态信息。微信小程序的界面如图8所示。

图8 微信小程序的主界面

4 结 语

本文基于传统公共垃圾桶的使用现状，提出了一种基于SIM800C的公共智能垃圾桶的设计方案，对其软件和硬件进行了设计制作和调试。

测试结果表明，该垃圾桶具有语音播放、自动开盖、装满报警、实时监控等功能，功能多样、定位准确，有利于对公共垃圾桶的智能化管理和环境卫生治理。

计划下一步在实现垃圾分类、对可回收垃圾进行有效处理等方面做更深入的研究。