葉廣源+熊正燁+李銘士+陳旭然

摘要：隨著科技的發(fā)展，人們物質(zhì)生活得到飛躍的同時(shí)，生活中產(chǎn)生的大量垃圾卻易被忽視，垃圾分類尚未形成習(xí)慣。本設(shè)計(jì)的目的是推出一款利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控的智能自動(dòng)分類垃圾桶，包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和智能自動(dòng)垃圾分類。一方面該垃圾桶提醒扔垃圾的人在投放垃圾前進(jìn)行分類，也可通過多種傳感器自動(dòng)識別并將垃圾分類，養(yǎng)成垃圾分類的好習(xí)慣，并通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)對垃圾分類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；另一方面，垃圾桶本身也是物聯(lián)網(wǎng)的接入模塊，可監(jiān)控垃圾桶的狀態(tài)，并發(fā)送信號，極大地方便環(huán)衛(wèi)部門對垃圾桶等公共設(shè)施智能化管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；垃圾分類；環(huán)保；傳感器技術(shù)

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0136-03

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常的廣泛[1]，無論是在工業(yè)生產(chǎn)，還是家庭個(gè)人，都可以看到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的痕跡。工業(yè)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)智能監(jiān)控生產(chǎn)線，一出現(xiàn)生產(chǎn)問題，技術(shù)人員可以馬上定位故障地點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)，極大地提升生產(chǎn)效率[2]。在日常生活中，智能家居、智能電器就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的例子。大至整個(gè)家庭空間的監(jiān)控，小到一個(gè)接線排插，都可以接入互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的廣泛的應(yīng)用提升了我們的生活質(zhì)量，還可能用于改善環(huán)境[3]。在享受科技帶給我們便利的同時(shí)，需關(guān)注環(huán)境保護(hù)的問題。在日常生活中產(chǎn)生大量的垃圾，垃圾處理不當(dāng)就會導(dǎo)致嚴(yán)重污染。垃圾分類是最簡單、最可行、也是最高效的資源回收方法[4]。人們對智能垃圾桶進(jìn)行了很多構(gòu)想[5，6]，對垃圾識別技術(shù)也進(jìn)行了一些探索。自動(dòng)垃圾分類可盡可能回收利用垃圾，又可有效降低垃圾處理成本， 由于其具有一定的市場潛力，很多技術(shù)和裝置都申報(bào)了專利[7，8]。本文在自動(dòng)垃圾識別的基礎(chǔ)上，將之與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，使之成為可被環(huán)保部門選用的實(shí)用型垃圾分類系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體組成和功能

物聯(lián)監(jiān)控的智能自動(dòng)分類垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括智能自動(dòng)分類垃圾垃圾桶、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)、移動(dòng)端實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)三大部分。每個(gè)部分有獨(dú)特的設(shè)計(jì)和功能，分布在垃圾桶上的多個(gè)傳感器是智能垃圾桶的特色，實(shí)時(shí)監(jiān)控垃圾桶狀態(tài)，諸如垃圾桶內(nèi)垃圾高度等信息，將這些狀態(tài)信息及時(shí)準(zhǔn)確的提醒相關(guān)的工作人員，有助于減少勞動(dòng)成本。

智能自動(dòng)垃圾分類桶的智能體現(xiàn)在能結(jié)合微型控制系統(tǒng)，利用多種安裝在垃圾桶上的傳感器對人們垃圾分類意識、分類垃圾種類、分類子桶內(nèi)垃圾高度等數(shù)據(jù)的采集和傳輸；對有扔垃圾意識的人進(jìn)行善意提醒，幫助人們養(yǎng)成良好分類垃圾的習(xí)慣；利用傳感器技術(shù)識別不同類別的垃圾，然后將未分類的垃圾進(jìn)行自動(dòng)分類；將垃圾桶自動(dòng)分類情況、狀態(tài)和安裝地點(diǎn)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫幫助后續(xù)研究人員分析和再次開發(fā)。

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)是一個(gè)后臺管理中心計(jì)算機(jī)，其功能包括處理和分析垃圾桶上各個(gè)傳感器傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)，服務(wù)器自動(dòng)構(gòu)建相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫的搭建。如有分布式地布置智能分類垃圾桶，可對全部區(qū)域采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，生成相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)告可供后期城市建設(shè)作為公共設(shè)施布置參考。

移動(dòng)端實(shí)時(shí)監(jiān)控一般是提供給環(huán)衛(wèi)工人使用的移動(dòng)終端，便于分區(qū)垃圾桶狀態(tài)的監(jiān)控。終端自帶提醒功能，能夠提醒環(huán)衛(wèi)工人及時(shí)、準(zhǔn)確的處理相關(guān)環(huán)衛(wèi)工作，同時(shí)便于合理的安排工人，節(jié)省勞動(dòng)力。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能自動(dòng)分類垃圾桶

智能自動(dòng)分類垃圾桶包括善意提示模塊、智能識別垃圾模塊、分類篩選模塊、垃圾子桶、監(jiān)測垃圾桶狀態(tài)模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊、太陽能電源管理模塊等。這些模塊通過合理的設(shè)計(jì)，組成整個(gè)垃圾桶的智能自動(dòng)分類系統(tǒng)。

提醒人們在扔垃圾前將垃圾分類，幫助人們養(yǎng)成垃圾分類的好習(xí)慣是本設(shè)計(jì)的最基本目的。安裝在垃圾桶上的善意提醒模塊的功能就是在扔垃圾之前，通過檢測人是否有意向扔垃圾并進(jìn)行相應(yīng)的提醒，從而達(dá)到提醒的目的，助人養(yǎng)成垃圾分類的好習(xí)慣。

智能識別垃圾模塊是由電容式傳感器[9]、電感式傳感器，通過多個(gè)傳感器位置的合理排布，可以識別介電常數(shù)不同的垃圾。微型處理器采集到傳感器的信號后，經(jīng)過內(nèi)部的信號處理和相應(yīng)軟件程序算法控制，驅(qū)動(dòng)分類篩選模塊，將垃圾準(zhǔn)確的投入到指定的垃圾子桶。當(dāng)垃圾子桶滿后，安裝在子桶內(nèi)部的光電傳感器將會檢測到，并將信號輸出到處理器，經(jīng)聯(lián)網(wǎng)模塊將信息發(fā)至服務(wù)器。整套系統(tǒng)的所有傳感器和微型處理器構(gòu)成本垃圾桶的信號監(jiān)測系統(tǒng)，通過太陽能供電，wifi或GPRS聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。

垃圾自動(dòng)分類原理和過程如圖2所示。

2.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)

將布置在不同公共場合的智能自動(dòng)分類垃圾桶通過無線網(wǎng)絡(luò)連接起來，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)監(jiān)控的通信基礎(chǔ)。分布在諸如公園、街道、公交站旁等地的智能垃圾桶，自帶無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，根據(jù)實(shí)際場地，選擇wifi或GPRS通信。垃圾桶里安裝的傳感器將采集的數(shù)據(jù)，通過控制系統(tǒng)里的微型處理器將數(shù)據(jù)處理和打包后，將垃圾桶的狀態(tài)信息發(fā)送到指定的服務(wù)器，其過程如圖3所示。

2.3 后臺管理服務(wù)器

涉及到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用，一般需要一臺遠(yuǎn)程的后臺服務(wù)器，服務(wù)器作為物聯(lián)網(wǎng)的核心，扮演著重要的角色。在一般的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，后臺服務(wù)器是用于處理客戶端請求，處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。智能分類垃圾桶只是作為本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的客戶端模塊，具體的實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，還需一臺服務(wù)器。服務(wù)器可以是一臺遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)，一般搭載開源的Linux操作系統(tǒng)，可以方便的供后續(xù)的升級開發(fā)工作。服務(wù)器的主要功能是處理垃圾桶傳輸過來的請求，并且將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和監(jiān)控，同時(shí)將處理結(jié)果返回給移動(dòng)終端。當(dāng)監(jiān)控的數(shù)據(jù)異常時(shí)，會通知工作人員趕到指定現(xiàn)場處理情況。諸如垃圾桶滿了、通信中斷、太陽能電池電量耗盡等情況。

服務(wù)器采用的是云服務(wù)器，云服務(wù)器相對于傳統(tǒng)服務(wù)器有很多的優(yōu)點(diǎn)，使用云服務(wù)器，我們不需要購買硬件設(shè)備，而且可以快速的選擇搭建自己要使用的各類型服務(wù)器，同時(shí)也可以快速釋放不需要使用的服務(wù)器，這樣可以極大的節(jié)省資源。另外，云服務(wù)器在管理上也非常高效、方便，只需在遠(yuǎn)程登入相應(yīng)的主機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，是現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的最佳解決方案。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式微型控制系統(tǒng)

嵌入式微型處理控制模塊是一塊基于ARM的核心板，其功能主要有：提供系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷、輸出I/O口、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能。通過自行設(shè)計(jì)垃圾分類和篩選器的驅(qū)動(dòng)電路，微型處理器可以對電路的控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能垃圾桶的所有功能。微型處理器是整個(gè)垃圾桶的核心，里面裝載著實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能垃圾桶所有功能的軟件程序，在選取的時(shí)候，盡量選擇Cortex-M4系列的芯片，因?yàn)镃ortex-M4在功耗、穩(wěn)定性、信號處理上具有極大優(yōu)勢，而且這款芯片也便宜，是工業(yè)嵌入式領(lǐng)域芯片選擇的常用方案。

3.2 物聯(lián)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫

智能分類垃圾桶只是作為本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的客戶端模塊，具體的實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，還需一臺服務(wù)器。服務(wù)器可以是一臺遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)，一般搭載開源的Linux操作系統(tǒng)，可以方便的供后續(xù)的升級開發(fā)工作。服務(wù)器的主要功能是處理垃圾桶傳輸過來的請求，并且將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和監(jiān)控，同時(shí)將處理結(jié)果返回給移動(dòng)終端。當(dāng)監(jiān)控的數(shù)據(jù)異常時(shí)，會通知工作人員趕到指定現(xiàn)場處理情況。諸如垃圾桶滿了、通信中斷、太陽能電池電量耗盡等情況。

服務(wù)器會構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫，將每次處理的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中，并且通過計(jì)算和分析，提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的作用有如下功能：其一是供給日后研究相關(guān)課題的研究人員作為數(shù)據(jù)參考；其二是可以分析人們對垃圾的分類習(xí)慣；其三是通過分析垃圾桶的使用效率，為日后公共設(shè)施的布局提供重要參考，從而做到科學(xué)、合理的分配公共資源。

3.3 移動(dòng)終端APP

移動(dòng)終端是供給環(huán)衛(wèi)工人使用的，界面如圖4所示。移動(dòng)終端是安裝在andriod系統(tǒng)的手機(jī)APP。在如圖所示的界面內(nèi)容中，將主要的信息呈現(xiàn)，包括連接服務(wù)器的狀態(tài)、垃圾桶電量、垃圾桶位置、報(bào)警顯示、各個(gè)垃圾子桶的狀態(tài)、相關(guān)操作按鈕等。

移動(dòng)終端在連接互聯(lián)網(wǎng)后，始終和服務(wù)器連接，服務(wù)器根據(jù)垃圾桶傳入的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)送給終端，終端也可以對服務(wù)器進(jìn)行刷新請求，從而做到實(shí)時(shí)監(jiān)控垃圾桶。

4 后臺中心數(shù)據(jù)庫

服務(wù)器會構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫，將每次處理的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中，并且通過計(jì)算和分析，提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的作用有如下功能：其一是供給日后研究相關(guān)課題的研究人員作為數(shù)據(jù)參考；其二是可以分析人們對垃圾的分類習(xí)慣；其三是通過分析垃圾桶的使用效率，為日后公共設(shè)施的布局提供重要參考，從而做到科學(xué)、合理的分配公共資源。

搭建數(shù)據(jù)庫對于后續(xù)的開發(fā)和研究具有很大的意義，數(shù)據(jù)對于后續(xù)的研究不僅是非常重要的參考，在研究人們對分類意識、產(chǎn)品的升級方面也有極大的幫助。通過對數(shù)據(jù)的分析，可以在日后的設(shè)備升級中優(yōu)化智能垃圾桶的設(shè)計(jì)，在布局安裝垃圾桶時(shí)做到合理科學(xué)的分布。

5 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)的步伐日益加快，人們對垃圾分類的意識都很淡薄，而垃圾分類在垃圾處理環(huán)節(jié)中比垃圾的再利用意義更大。所以，人們不僅要對垃圾進(jìn)行分類，養(yǎng)成對垃圾進(jìn)行分類的習(xí)慣，而且對全民形成垃圾分類的意識具有更大的意義。通過科技的手段改善垃圾分類，有利于對資源的再利用、降低工業(yè)生產(chǎn)成本、保護(hù)環(huán)境、降低人力的成本等，而據(jù)目前為止，除了在歐美日等發(fā)達(dá)國家外，在垃圾分類的工作上做的比較好之外，像普通的發(fā)展中國家，在垃圾分類上都做得差強(qiáng)人意，加上人類產(chǎn)生垃圾的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垃圾處理速度。于是，以科學(xué)技術(shù)為第一生產(chǎn)力的智能垃圾分類技術(shù)的研究顯得迫不及待。所以，人們不僅要對垃圾進(jìn)行分類，養(yǎng)成對垃圾進(jìn)行分類的習(xí)慣和全民形成垃圾分類的意識具有更大的意義。我們設(shè)計(jì)的垃圾分類桶不僅具有垃圾分類的功能，還要添加人們對垃圾分類形成習(xí)慣的功能，這樣做的意義尤為重要。

垃圾是放錯(cuò)地方的資源，對資源再利用的探索是我們最終的目的。我們這個(gè)項(xiàng)目便是開發(fā)一種裝置讓大家都形成垃圾分類的好習(xí)慣；其次，通過科學(xué)技術(shù)這種生產(chǎn)力對垃圾進(jìn)行分類，可以大大節(jié)約人力，提高垃圾分類效率；最后通過研究這種小型的智能垃圾分類桶對以后大量、大型的垃圾處理具有非常重要的參考價(jià)值。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將智能自動(dòng)分類垃圾桶結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一種即時(shí)的監(jiān)控，遠(yuǎn)程的服務(wù)器可以方便快捷地對垃圾桶狀態(tài)數(shù)據(jù)處理，如有異?？梢钥焖俚耐ㄖ嚓P(guān)的工作人員進(jìn)行處理。在服務(wù)器搭建數(shù)據(jù)庫，對后續(xù)的研究也有極大的意義，在設(shè)備的升級、垃圾桶的布局提供重要的科學(xué)管理依據(jù)。

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