孫毅敏，宋余君,2

（1.懷化學院，湖南 懷化 418000；2.武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 懷化 418000）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)呈現(xiàn)出一種智能化的趨勢[1]，智能家居、智慧城市得到了快速發(fā)展。垃圾桶作為家庭生活的必備工具之一，并未隨著智能家居的發(fā)展而得到快速改進，大多數(shù)家庭仍使用傳統(tǒng)的垃圾桶。傳統(tǒng)的垃圾桶對垃圾封存效果不好，若不及時清理垃圾，異味極易散出，細菌極易滋生，最終導致環(huán)境污染。目前市面上出現(xiàn)的智能垃圾桶，如自動翻蓋垃圾桶、語音播報垃圾桶、自動報滿垃圾桶等，不僅功能單一，而且價格昂貴，并未得到真正普及[2-5]。本文設(shè)計了一款操作簡便、功能齊全的新型智能垃圾桶，不僅實用，而且成本較低。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能垃圾桶主要具備垃圾存放時間統(tǒng)計、垃圾桶是否裝滿判斷等功能。首先工作人員在信息系統(tǒng)中心（PC）存儲垃圾桶的編號、位置信息。同時PC與服務器進行數(shù)據(jù)交互，服務器將數(shù)據(jù)存放在云平臺，云平臺通過GSM模塊與單片機進行數(shù)據(jù)交互，垃圾桶自動上傳信息到云服務器。用戶可以通過訪問PC得到垃圾桶內(nèi)的情況，然后決定是否清倒垃圾。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由單片機最小系統(tǒng)模塊、紅外對射管模塊、稱重傳感器模塊、GSM模塊、超聲波模塊等構(gòu)成，其框架如圖2所示。垃圾桶上電后，單片機、稱重傳感器、紅外對射管開始工作，底部蜂鳴器未發(fā)出警報，頂部的紅外發(fā)射管發(fā)送38 kHz的信號，與此同時，紅外接收管信號接收正常，單片機不斷獲取垃圾桶內(nèi)垃圾的信息。隨著桶內(nèi)垃圾的積累，當垃圾桶內(nèi)垃圾堆滿后紅外對射管信號發(fā)射受阻，當垃圾存放時間超過設(shè)定的時間時，蜂鳴器發(fā)出警報聲提醒倒垃圾的用戶此垃圾桶已裝滿，同時單片機通過GSM模塊發(fā)送信息給PC端，提醒工作人員及時處理垃圾。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖2 系統(tǒng)框架

2.1 稱重傳感器模塊

本系統(tǒng)的稱重傳感器模塊采用HX711芯片。HX711是專為高精度電子秤而設(shè)計的芯片，內(nèi)部集成有放大部分和24位A/D轉(zhuǎn)換部分[6]。單片機通過2個普通的I/O口與HX711的PD_SCK、DOUT引腳相連，并根據(jù)相應時序編程。通過調(diào)制電路和比較電路處理后即可獲取此時物體的精確重量。圖3所示為稱重傳感器原理。

圖3 稱重傳感器原理

2.2 GSM模塊

本系統(tǒng)的GSM模塊采用SIM800C系列模組，該模塊可以實現(xiàn)短信息收發(fā)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸。該模塊體積小、功耗低、工作所需溫度范圍廣[7]、價格低廉，適合本設(shè)計的系統(tǒng)使用。

2.3 超聲波模塊

本系統(tǒng)選用HC-SR04超聲波傳感器。模塊的發(fā)射引腳trig、接收引腳echo與單片機2個普通的I/O口分別相連，單片機的控制口發(fā)送一個10 μs以上的高電平給模塊發(fā)送端引腳，然后接收端檢測是否為高電平，當接收引腳echo讀取高電平時打開定時器，高電平結(jié)束后關(guān)閉定時器。高電平持續(xù)的時間即為超聲波的傳播時間。利用發(fā)送和接收的時間差以及聲波在空氣中的傳播速度（測量距離=（高電平時間×聲速）/2）容易測得被測點到傳感器間的距離[8-9]。HC-SR04測距模塊實物如圖4所示。

圖4 HC-SR04測距模塊實物

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

實際生活中，垃圾桶內(nèi)的情況十分復雜，例如垃圾桶內(nèi)存在濕毛巾、果皮、食物殘渣等濕垃圾時，會給細菌提供繁殖環(huán)境。對于這類垃圾的處理不同于其他類型垃圾的處理方式，需在軟件設(shè)計部分考慮垃圾類型檢測的問題。

智能垃圾桶系統(tǒng)通過鋰電池供電，當智能垃圾桶系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)首先進行初始化，然后分兩部分進行檢測：判斷垃圾桶內(nèi)的垃圾類型；判斷垃圾桶內(nèi)垃圾是否裝滿。系統(tǒng)主程序如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序

3.1 垃圾類型的判斷

垃圾類型的判斷依靠稱重傳感器檢測垃圾物重量（G），并聯(lián)合超聲波傳感器發(fā)送超聲波獲取垃圾物位（H）及垃圾桶內(nèi)狀態(tài)，若判定存在濕垃圾，則上報信息。獲取垃圾信息示意圖如圖6所示。

圖6 獲取垃圾信息示意圖

為了更好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，設(shè)計了一套檢測垃圾類型的算法，算法如下：

3.2 垃圾已滿狀態(tài)的判斷

單片機接收垃圾物位和垃圾密度等信息后，判斷垃圾桶內(nèi)垃圾的狀態(tài)，紅外發(fā)射管不斷發(fā)送38 kHz的信息，單片機通過采集紅外接收管處的電壓來判斷垃圾是否達到設(shè)定的最高物位hmax，工作流程如圖7所示。

圖7 垃圾已滿判定流程

4 結(jié) 語

本文對智能垃圾桶系統(tǒng)進行了全面、規(guī)范的分析，對系統(tǒng)軟硬件進行了設(shè)計制作和調(diào)試。通過對系統(tǒng)的測試與調(diào)試，智能垃圾桶基本實現(xiàn)了監(jiān)測內(nèi)膽內(nèi)垃圾狀態(tài)、監(jiān)測垃圾桶內(nèi)垃圾存放時間、根據(jù)推測的垃圾是否為濕垃圾調(diào)節(jié)垃圾存放時間上限的功能，使得垃圾可以及時得到清理。但該系統(tǒng)還存在許多不足之處，例如未實現(xiàn)垃圾自動分類功能和垃圾自動打包功能。