張 園 江民歡 闞輝昂 冒書(shū)梅 王學(xué)剛

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，江蘇 南京 210046）

關(guān)鍵字：Arduino；智能垃圾桶；傳感器；多功能

隨著生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視周邊的環(huán)境衛(wèi)生，追求健康的生活環(huán)境。現(xiàn)今，對(duì)于垃圾的投放處理問(wèn)題也越來(lái)越關(guān)注[1]，伴隨著科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的智能化設(shè)備進(jìn)入尋常百姓的點(diǎn)滴生活之中，讓人們的生活越來(lái)越科技化。為給在校園內(nèi)生活的同學(xué)們創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)生活環(huán)境，打造綠色環(huán)保智能校園，文章設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能校園分類(lèi)多功能垃圾桶。雖然市場(chǎng)上在一些智能家居中已經(jīng)有智能垃圾桶的存在，但是大多數(shù)針對(duì)室內(nèi)環(huán)境，功能單一。戶(hù)外的垃圾桶仍然以普通的垃圾桶為主，少數(shù)的戶(hù)外智能垃圾桶不能實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)，垃圾混裝、垃圾不及時(shí)清理的現(xiàn)象比比皆是。為了彌補(bǔ)市場(chǎng)上垃圾桶應(yīng)用上的缺陷，文章利用Arduino控制器件，增加垃圾桶自動(dòng)垃圾分類(lèi)、垃圾清理信息及時(shí)通知、短距離自動(dòng)跟隨等功能，以更好地提升戶(hù)外環(huán)境，例如校園環(huán)境中垃圾桶使用的便利，針對(duì)戶(hù)外環(huán)境開(kāi)發(fā)智能垃圾桶有著廣泛的市場(chǎng)前景和實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

校園智能垃圾桶的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。主要包含10個(gè)模塊：Arduino控制板、超聲波距離檢測(cè)電路、電容式接近傳感器、步進(jìn)電機(jī)、紅外傳感器電路、LED點(diǎn)陣屏、語(yǔ)音電路、供電電路、GPS模塊和GPRS模塊。

可以實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)，通過(guò)電容式接近傳感器檢測(cè)不同材料，控制步進(jìn)電機(jī)，將不同材料的垃圾投入不同的桶中。當(dāng)檢測(cè)有人接近，自動(dòng)打開(kāi)垃圾桶蓋子。并且能夠跟隨前方人員，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨。并且可以檢測(cè)垃圾是否裝滿(mǎn)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送垃圾需清理的指令，并提供垃圾桶的位置信息。還可以利用太陽(yáng)能供電實(shí)現(xiàn)輔助的廣告播放、夜晚亮燈、語(yǔ)言鼓勵(lì)等功能。

圖1 校園智能垃圾桶的總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)功能電路設(shè)計(jì)

2.1 Arduino 控制器模塊

本系統(tǒng)以Microduino控制器模塊為核心，以 Atmel ATmega328P，ATmega168PA 系列為核心的8位單片機(jī)開(kāi)發(fā)核心板，它完全是開(kāi)源的，使用了U型的27pin Microduino接口規(guī)范，擁有眾多接口兼容的周邊模塊和傳感器，編程環(huán)境好，方便上手，而且能憑借各種不同的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，也可以通過(guò)控制聲音、電機(jī)和其他各種裝置來(lái)影響環(huán)境，其可拓展性好[2]。Arduino控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的中樞，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)模塊的控制和調(diào)用。包括分析、綜合電容式接近傳感器檢測(cè)不同材料的數(shù)據(jù)信息，控制步進(jìn)電機(jī)，將不同材料的垃圾投入不同的桶中。以及檢測(cè)熱釋電傳感器數(shù)據(jù)，查看是否有人接近，自動(dòng)打開(kāi)垃圾桶蓋子。并且控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨和檢測(cè)垃圾是否裝滿(mǎn)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送垃圾需清理的指令，并提供垃圾桶的位置信息。此外還控制廣告播放、夜晚亮燈、語(yǔ)言鼓勵(lì)等輔助功能。

2.2 垃圾分類(lèi)模塊

考慮到使用環(huán)境主要在校園內(nèi)，針對(duì)校園垃圾的不同材質(zhì)，例如金屬、玻璃、塑料，介電常數(shù)不同的原理，本系統(tǒng)采用電容式接近傳感器和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行垃圾的分類(lèi)，電容式接近這種開(kāi)關(guān)的測(cè)量通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是開(kāi)關(guān)的外殼[3]。這個(gè)外殼在測(cè)量過(guò)程中通常是接地或與設(shè)備的機(jī)殼相連接。當(dāng)有物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，不論它是否為導(dǎo)體，由于它的接近，總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開(kāi)關(guān)的接通或斷開(kāi)。因此當(dāng)傳感器檢測(cè)到金屬時(shí)，電容改變，向Arduino控制模塊輸入低電平以控制電機(jī)的不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行垃圾的不同位置投入，進(jìn)行垃圾分類(lèi)。

2.3 人體感應(yīng)模塊

本設(shè)計(jì)采用HS-SR501熱釋電傳感器進(jìn)行人體感應(yīng)，這是一種基于紅外線(xiàn)技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超小體積，超低電壓工作模式[4]。其感應(yīng)距離在3～7米之間。當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍，輸出高電平，直到人離開(kāi)后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖?。在校園智能垃圾桶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮到，如果有人體在熱釋電傳感器感應(yīng)范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，可以避免出現(xiàn)行人路過(guò)，垃圾桶也自行開(kāi)啟的現(xiàn)象。所以在設(shè)計(jì)時(shí)將熱釋電傳感器模塊安裝在垃圾桶上方，以實(shí)現(xiàn)扔垃圾的人靠近時(shí)，進(jìn)入為以垃圾桶為圓心的感應(yīng)范圍后，垃圾桶才自動(dòng)開(kāi)蓋。

2.4 垃圾滿(mǎn)溢控制模塊

考慮到在現(xiàn)實(shí)生活中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生由于垃圾沒(méi)有及時(shí)回收，造成垃圾桶中垃圾滿(mǎn)溢，影響環(huán)境衛(wèi)生，也會(huì)給扔垃圾的行人造成不便，不利于校園文明建設(shè)。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)在垃圾桶內(nèi)頂部裝有超聲波測(cè)距模塊，以檢測(cè)垃圾容量，當(dāng)超聲波模塊采集的測(cè)量值小于預(yù)設(shè)閾值，說(shuō)明垃圾量達(dá)到桶容積的80%，則將通過(guò)電機(jī)控制垃圾蓋不可打開(kāi)，防止后續(xù)不斷扔入垃圾造成滿(mǎn)溢。通過(guò)GPRS模塊，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，提醒校園后勤相關(guān)人員及時(shí)清理垃圾。避免垃圾不能及時(shí)清理， 滋生蚊蟲(chóng)。 同時(shí)利用GPS模塊發(fā)送垃圾桶的實(shí)時(shí)位置，便于清理人員及時(shí)定位需要清理的垃圾桶，大大提高了垃圾的回收效率。

2.5 輔助顯示模塊

由于校園環(huán)境的局限，并沒(méi)有太多的路燈照明系統(tǒng)，考慮到垃圾桶分布范圍較廣，因此本設(shè)計(jì)在垃圾桶上布置LED照明系統(tǒng)。夜晚時(shí)LED點(diǎn)亮，提示垃圾桶的位置，來(lái)彌補(bǔ)校園部分區(qū)域夜間照明不足帶來(lái)的投遞垃圾的不便，避免夜晚在校園活動(dòng)的學(xué)生找不到垃圾桶而隨手亂扔垃圾。在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)光敏電阻探測(cè)環(huán)境光線(xiàn)，只要環(huán)境光線(xiàn)低于閾值就開(kāi)啟LED燈。所有照明供電可以通過(guò)太陽(yáng)能電池進(jìn)行儲(chǔ)能，以節(jié)約用電，綠色環(huán)保。此外本設(shè)計(jì)在垃圾桶外安裝LED點(diǎn)陣屏，白天利用太陽(yáng)能電池供電播放一些公益廣告，增加公益宣傳效果。在垃圾桶外還安裝有紅色LED指示燈，用來(lái)提示垃圾桶是否裝滿(mǎn)，如果垃圾桶裝滿(mǎn)，則紅燈點(diǎn)亮，提示使用者。

2.6 語(yǔ)音播放功能

該智能垃圾桶設(shè)計(jì)時(shí)增加了語(yǔ)言播放功能，當(dāng)每次有行人投放垃圾時(shí)，桶內(nèi)語(yǔ)音模塊會(huì)隨機(jī)播放一段優(yōu)美的音樂(lè)或是一段祝福的話(huà)回饋給用戶(hù)，給人以驚喜，讓人們更樂(lè)于投放垃圾入桶，從而減少亂扔垃圾的現(xiàn)象。

2.7 自動(dòng)跟隨模塊

考慮到在校園中，有學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)邊走邊吃趕時(shí)間的情況，本設(shè)計(jì)采用紅外避障傳感器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨功能。避免同學(xué)在校園中一邊走一邊吃瓜子等食物，沿途沒(méi)有垃圾桶而隨手亂扔。在垃圾桶底部安裝輪子，通過(guò)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向，并且在垃圾桶上配置按鍵，按下即可啟動(dòng)自動(dòng)跟隨功能。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目結(jié)合開(kāi)源的Arduino控制器件和大量的傳感器設(shè)計(jì)了校園智能垃圾桶，與普通垃圾桶相比，功能更完善，使用更方便。市場(chǎng)上的垃圾桶大多數(shù)局限于收集，沒(méi)有考慮用戶(hù)其他方面的需求。而該設(shè)備不僅實(shí)現(xiàn)垃圾的分類(lèi)，還附帶有語(yǔ)音鼓勵(lì)、短距離自動(dòng)跟隨、垃圾裝滿(mǎn)自動(dòng)提醒收集、桶外廣告等功能，較好地滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求，為用戶(hù)使用帶來(lái)便利，且使用傳感器模塊，成本較低。既與垃圾收集工作人員建立了高效合作關(guān)系，又與用戶(hù)建立了良好的互動(dòng)和情感關(guān)聯(lián)，在很大程度上滿(mǎn)足了目標(biāo)市場(chǎng)的需求。