楊莫寒，張澎濤，白旭，馮藝，姚可欣，王仕臣

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

本項(xiàng)目積極響應(yīng)國(guó)家“十四五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，針對(duì)目前主流垃圾回收裝置在垃圾回收時(shí)存在的處理緩慢或者遺漏處理的現(xiàn)象，導(dǎo)致最終效果不理想，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幾乎沒(méi)有被應(yīng)用于垃圾分類回收方面[1]。物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)產(chǎn)品的重要發(fā)展方向，但現(xiàn)在針對(duì)垃圾回收的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)卻很少，因此我們希望開(kāi)發(fā)出一款可以實(shí)現(xiàn)垃圾自動(dòng)打包功能并且與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的裝置[2]。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)就是利用各種傳感器裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集相關(guān)的需求并進(jìn)行監(jiān)控、連接與互動(dòng)相關(guān)過(guò)程；并且可以通過(guò)布網(wǎng)技術(shù)以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、公共安全技術(shù)、云計(jì)算等將產(chǎn)品設(shè)施集成，構(gòu)建一個(gè)相對(duì)完整的管理系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的便利性、舒適性、藝術(shù)性和安全性等[3]。物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)產(chǎn)品的重要發(fā)展方向，但現(xiàn)在針對(duì)垃圾回收的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)卻很少。

2 項(xiàng)目實(shí)體構(gòu)建

2.1 研究路線

研究路線如圖1所示：

圖1 項(xiàng)目研究路線圖

在垃圾回收部分，我們采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)控制電路，進(jìn)行真空密封處理，使用真空抽氣機(jī)進(jìn)行真空密封。

在物聯(lián)網(wǎng)部分，每個(gè)子裝置會(huì)設(shè)置Esp8266串口轉(zhuǎn)WIFI模塊與STM32F407最小系統(tǒng)板采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至云端。主機(jī)采用Zigbee節(jié)點(diǎn)作為終端，可以精確地采集各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，之后通過(guò)我們自主研發(fā)的APP結(jié)合Floyd算法求出垃圾回收最短路徑[4-5]，并根據(jù)GM（1,1）灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)部分地區(qū)情況處理數(shù)據(jù)，作為終端以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)度。

2.2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)原理圖

當(dāng)垃圾回收裝置將垃圾進(jìn)行一次打包后，垃圾桶內(nèi)置的單片機(jī)檢測(cè)垃圾回收裝置內(nèi)部情況（包括垃圾桶內(nèi)每種垃圾剩余可儲(chǔ)存容量，上一次垃圾清理的時(shí)間等）并且將這些信息通過(guò)ESP8266串口轉(zhuǎn)WIFI模塊，將信息傳送至云端，之后主機(jī)接收到信息進(jìn)行分析與處理,通過(guò)Floyd算法求出垃圾回收最短路徑，并根據(jù)GM（1,1）灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)部分地區(qū)情況，可以有效的減少一些垃圾車的種類以及垃圾車的數(shù)量，方便對(duì)每一種類垃圾車派遣的地方進(jìn)行規(guī)劃。例如垃圾剩余存儲(chǔ)容量較大的情況下，則該回收裝置在短期內(nèi)不需要垃圾車進(jìn)行清理。這種通過(guò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行垃圾車有效分配的方式不僅可以有效地減少人力需求，還能提高垃圾分類的效率，達(dá)到垃圾處理的智能便捷化。同時(shí)，垃圾桶在一段時(shí)間內(nèi)上傳的數(shù)據(jù)也會(huì)被記錄，通過(guò)大數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)與處理，之后垃圾桶的投放會(huì)因此受到一定的影響，如果某一地區(qū)的垃圾排放量較大的話，就可以考慮適當(dāng)?shù)脑黾永巴斗诺姆N類與數(shù)目，這樣可以更好地實(shí)現(xiàn)資源的再次利用。

2.3 項(xiàng)目綜述

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾回收系統(tǒng)目標(biāo)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、單片機(jī)控制原理、自動(dòng)控制理論、機(jī)械原理、電機(jī)拖動(dòng)、單片機(jī)控制原理等知識(shí)，以單片機(jī)為核心，結(jié)合檢測(cè)電路、控制元件及機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將不同類別的垃圾進(jìn)行處理，將采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，之后將數(shù)據(jù)上傳云端，主機(jī)對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行整合預(yù)測(cè)，之后進(jìn)行回收垃圾路徑的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)作從而實(shí)現(xiàn)垃圾二次處理的智能便捷化，開(kāi)發(fā)出一款可以實(shí)現(xiàn)垃圾自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)處理功能并且與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的裝置?；谖锫?lián)網(wǎng)的可自動(dòng)分類垃圾裝置，可以很大程度上提高垃圾回收效率，減少垃圾處理方面的勞動(dòng)力需求，降低垃圾處理的成本。本項(xiàng)目主要分為兩部分：

（1）實(shí)體垃圾自動(dòng)化處理裝置。當(dāng)垃圾被投放在垃圾回收裝置內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)可以將垃圾進(jìn)行打包處理以減小垃圾所占空間，并檢測(cè)垃圾回收裝置內(nèi)部剩余容量，為上傳云端數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備。

（2）物聯(lián)網(wǎng)智能化協(xié)作。當(dāng)垃圾分類處理完成后，會(huì)將不同種類垃圾的數(shù)量以及裝置內(nèi)每類垃圾可繼續(xù)存儲(chǔ)的容量等信息上傳云端。后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析，對(duì)容量即將達(dá)到上限的垃圾桶，會(huì)派指定垃圾車（與垃圾種類一一對(duì)應(yīng)，以防止出現(xiàn)同種垃圾車裝不同垃圾，導(dǎo)致垃圾回收效率變低問(wèn)題）進(jìn)行處理，同時(shí)通過(guò)Floyd算法求出垃圾回收最短路徑，提高回收效率，同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后可以有效的減少一些種類垃圾車的數(shù)量，以及根據(jù)GM（1,1）灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)部分地區(qū)情況，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)作，從而實(shí)現(xiàn)垃圾二次處理的智能便捷化。

3 項(xiàng)目軟件介紹

工作之余提高效率成為越來(lái)越多人的選擇，而生活垃圾綜合回收處理系統(tǒng)正是以此為契機(jī)開(kāi)發(fā)出的軟件，系統(tǒng)集生活垃圾綜合回收處理、界面、設(shè)備管理、管控日志為一體。從系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的角度出發(fā)，軟件把系統(tǒng)按功能逐次分割成層次結(jié)構(gòu)，使每一部分完成簡(jiǎn)單的功能且各個(gè)部分之間又保持一定的聯(lián)系。在操作階段,基于這個(gè)功能的層次結(jié)構(gòu)把各個(gè)部分組合起來(lái)成為系統(tǒng)，并采用了SQL SERVER 2008數(shù)據(jù)庫(kù)，使得本系統(tǒng)可以方便地和其他子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

概念結(jié)構(gòu)操作根據(jù)需求核對(duì)抽象出信息結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的E-R圖（實(shí)體-聯(lián)系圖，Entity Relationship Diagram）如下圖所示，提供了表示實(shí)體類型、屬性和聯(lián)系的方法，用來(lái)描述現(xiàn)實(shí)世界的概念模型）

圖4 產(chǎn)品信息管理E-R圖

圖5 控制考核管理E-R圖

系統(tǒng)集實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警、最優(yōu)處理、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)等功能為一體，能夠更直觀地顯示各類數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同情況給予操作者建議，還能根據(jù)操作者的要求，進(jìn)行設(shè)備的添加或者刪除。并且可以多個(gè)相同的系統(tǒng)可以進(jìn)行組網(wǎng)，互構(gòu)成子母系統(tǒng)，或者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式，以該系統(tǒng)作為主控制器結(jié)合各個(gè)執(zhí)行器（智能垃圾桶）組成小型物聯(lián)網(wǎng)，使垃圾的處理更加智能化和簡(jiǎn)易化，改變了原有的垃圾處理方式。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾回收系統(tǒng)，以最大限度地實(shí)現(xiàn)垃圾處理的便捷智能化，此項(xiàng)目的探索有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）概念新穎，與時(shí)代結(jié)合緊密，能夠有效解決垃圾分類的難題，因此對(duì)資源的有效和高效回收具有開(kāi)創(chuàng)性的意義，應(yīng)用前景十分廣闊；（2）基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾回收系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)宏觀調(diào)控，可以有效降低垃圾回收人工工作強(qiáng)度，提高了工作效率并改善了垃圾箱環(huán)境，比一般垃圾桶更為人性化；（3）應(yīng)用范圍廣，發(fā)展前景大，符合國(guó)家環(huán)保要求；（4）模塊化程度高，并且體積適中，易于安裝、調(diào)試和維修，可以拓展附加功能。