（三峽大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

當(dāng)下，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)的理論研究逐漸成熟，通過傳感器收集有用的數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行存儲，并與先進(jìn)的技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行分析和處理，以獲得準(zhǔn)確的問題處理方法已經(jīng)成熟并被廣泛使用，其為人們的生活提供了準(zhǔn)確，高效的操作指南。然而城市垃圾箱中運(yùn)用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的卻很少。基于此，本文提出一種基于IoT的智能互聯(lián)的垃圾桶（SGS）系統(tǒng)，并通過物聯(lián)網(wǎng)與其他SGS以及終端聯(lián)系起來。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾桶

本文設(shè)計的智能垃圾桶監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)平臺。垃圾桶內(nèi)的感知器通過WiFi將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，然后云平臺會對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并推送至移動終端。衛(wèi)生部門通過服務(wù)器獲取垃圾箱信息，并及時回收垃圾。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組成結(jié)構(gòu)及功能

2 功能設(shè)計

2.1 終端設(shè)計

智能垃圾桶終端設(shè)計如圖2所示。

圖2 終端運(yùn)行流程示意

智能垃圾桶終端功能模塊介紹如下：

（1）超聲波測距模塊。首先開發(fā)板會發(fā)出高電平信號，接收到信號的傳感器會發(fā)出超聲波，此時接收端口變?yōu)楦?，同時計時器計時來計算距離。超聲波遇到了障礙物后，再原路反回被接收端接受到，此時接收端口變?yōu)榈汀Ｗ詈罄弥案叩碗娖接涗浀臅r間來計算距離。

（2）氣體傳感模塊。氣體傳感器采用二氧化錫作為檢測環(huán)境氣體的氣敏材料，原因是二氧化錫的電導(dǎo)率在干凈的空氣中較低。傳感器所處環(huán)境中存在有害氣體時，傳感器的電導(dǎo)率會根據(jù)有害氣體濃度增大而增大。

（3）溫濕度傳感模塊。本文選用DHT11傳感器。DHT11是一種二合一傳感器，可以將溫度和濕度復(fù)合測得的數(shù)據(jù)自校準(zhǔn)，然后通過數(shù)字信號輸出并與高性能的8位單片機(jī)相連，其使用單總線和單片機(jī)進(jìn)行雙向串行數(shù)據(jù)傳輸信號，穩(wěn)定性好。

（4）WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊。本設(shè)計中數(shù)據(jù)傳輸由IoT芯片進(jìn)行控制。IoT芯片可以在多種模式下工作，即：AP模式，站模式和混合模式。站點(diǎn)模式主要是去連接其他的路由。站模式相當(dāng)于一個路由器，只能讓其他的設(shè)備連接自身，而混合模式就是將兩者綜合使用。

2.2 云端

云端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析和存儲，其通過OneNET平臺進(jìn)行收發(fā)信息。

2.3 移動端

移動端主要通過微信小程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的各種模塊功能。微信小程序從OneNET獲取垃圾桶上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)展示出來。在設(shè)計移動端時需要MINA框架的UI設(shè)計、OneNET以及微信官方和地圖供應(yīng)商提供的API接口。其中，數(shù)據(jù)都存儲在OneNET中，終端通過OneNET將信息傳到云端，云端進(jìn)行分析以及儲存，并規(guī)劃好最優(yōu)路線，然后通知工作人員及時處理。本文設(shè)計的微信小程序界面如圖3所示。

圖3 微信小程序界面

3 基于RFID的垃圾收集系統(tǒng)與基于IoT的智能互聯(lián)的垃圾桶（SGS）系統(tǒng)

3.1 基于RFID的垃圾桶面臨的問題

在基于RFID的垃圾收集系統(tǒng)中，RFID收集箱包括通信模塊、RFID標(biāo)簽?zāi)K、自動垃圾入口以及用于測量容器重量的秤功能。使用該系統(tǒng)時，清潔工不知道哪些垃圾桶有垃圾，而垃圾桶需要及時處理，因此有必需清潔每個垃圾桶。這樣通常會增加無用的工作量，并浪費(fèi)人力和物力；而且，在人們投放垃圾時，垃圾桶對于桶內(nèi)的垃圾信息的傳輸常常會產(chǎn)生一定時延，導(dǎo)致無法及時對垃圾桶內(nèi)的垃圾進(jìn)行清理。針對這些問題，本文提出了一種基于IoT的SGS系統(tǒng)。

3.2 架構(gòu)概述

SGS的體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖4可知，安裝在公寓樓和個人住宅附近的SGB彼此交換信息，將信息發(fā)送到服務(wù)器。結(jié)構(gòu)上講，SGS系統(tǒng)分為兩個域：管理域和服務(wù)域。

圖4 SGS架構(gòu)示意圖

3.2.1 管理域

在管理域中，需要收集已注冊的居民信息、付款信息和狀態(tài)信息，為此，使用了智能垃圾維護(hù)服務(wù)器、用戶管理服務(wù)器和支付管理服務(wù)器三臺服務(wù)器。用戶管理服務(wù)器負(fù)責(zé)管理食物垃圾排放信息和個人信息。支付管理服務(wù)器根據(jù)居民卡公司的食物垃圾重量執(zhí)行付款過程。當(dāng)居民使用RFID卡排放食物垃圾時，將其在RFID卡上注冊的個人卡信息傳輸?shù)街Ц豆芾矸?wù)器，然后支付管理服務(wù)器請求公司處理付款。因此，如果在分析狀態(tài)信息時在SGB中檢測到故障，則會派遣管理員檢查問題。并且智能垃圾維護(hù)服務(wù)器會引導(dǎo)居民使用附近的SGB。

3.2.2 服務(wù)域

服務(wù)域是居民丟棄垃圾的地方。當(dāng)居民的RFID卡觸摸SGB的RFID讀取器時，SGB會對居民進(jìn)行身份驗(yàn)證并打開蓋子。居民將食物垃圾扔掉，由SGB測量重量。SGB將收集的有關(guān)居民及食物垃圾重量的信息發(fā)送到管理域。根據(jù)收集到的信息，垃圾收集器從SGB收集食物垃圾。圖2表明位于服務(wù)域中的SGB的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?。因此，即使同一居民使用不同的垃圾箱，也可以保證服務(wù)的連續(xù)性。此外，為了網(wǎng)絡(luò)可靠性，如果HSGB中發(fā)生通信問題，則會將標(biāo)頭權(quán)限委派給同一區(qū)域內(nèi)最合適的SGB。

3.3 系統(tǒng)工作過程

綜上所述，本文提出的系統(tǒng)使用新的排放過程來最小化由支付和數(shù)據(jù)傳輸引起的延遲。在傳統(tǒng)基于RFID的垃圾收集系統(tǒng)中，RFID卡需兩次接觸到垃圾箱。第一次接觸用于居民身份驗(yàn)證，第二次接觸用于付款。因?yàn)樵诟犊钪靶枰诶浜头?wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在本文系統(tǒng)中，通過將RFID卡與SGB接觸一次來進(jìn)行食物垃圾處理和支付過程，減少了過程延遲。在居民身份驗(yàn)證和稱重之后，RFID卡的余額將服務(wù)器接收到的付款數(shù)據(jù)和食物垃圾的當(dāng)前重量顯示在SGB的LCD屏上，排放過程結(jié)束。本文系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程

4 軟件設(shè)計

本文系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括微信小程序和開發(fā)板的Arduino程序。其中Arduino程序包含超聲波測距模塊、氣體傳感模塊、溫濕度傳感模塊、WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊的相關(guān)程序等。

5 結(jié) 語

本文提出一種基于IoT的智能互聯(lián)的垃圾桶（SGS）系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。硬件部分包括數(shù)據(jù)采集端的傳感器和作為核心控制的開發(fā)板；軟件部分有展示控制的微信小程序和開發(fā)板的Arduino程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)基于RFID的垃圾收集系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)更加智能，其通過云端、終端、PC或手機(jī)端控制垃圾桶，垃圾桶本身可以感知自己目前的容量情況，再向上一級反映，使垃圾桶的清理更加便捷，節(jié)省了人力、物力。