董淑華，李 勇，方朝曦，范 恩

（紹興文理學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市垃圾量快速增加，垃圾處理已成為城市環(huán)境綜合整治中的緊迫問題。一般城市里居民小區(qū)都設(shè)有多個大型垃圾桶，垃圾清運(yùn)大多采用固定時間固定路線清運(yùn)方式，經(jīng)常發(fā)生垃圾桶溢滿現(xiàn)象。垃圾一旦溢出，會影響小區(qū)環(huán)境，也會增加環(huán)衛(wèi)工人的工作量。為此迫切需要利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)垃圾桶狀態(tài)監(jiān)測，提高環(huán)衛(wèi)工作效率[1-7]。

目前已有一些研究人員利用各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了智能垃圾桶系統(tǒng)設(shè)計的初步嘗試。例如李琳等人[8]設(shè)計了能實(shí)時檢測垃圾桶滿并反饋到APP端的智能垃圾桶系統(tǒng)，還實(shí)現(xiàn)了定位功能；陳志偉等人[9]設(shè)計了一款能實(shí)現(xiàn)垃圾分類、自動開蓋、可移動的智能垃圾桶系統(tǒng)，適合居家使用；郭昌鑫等人[10]設(shè)計了一款能感應(yīng)到人體后自動開蓋、檢測垃圾桶是否裝滿、利用蜂鳴器進(jìn)行報警的系統(tǒng)，同樣僅適合于家居環(huán)境。目前尚未有針對小區(qū)場景下同時對多個垃圾桶進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)。

本系統(tǒng)以CC2530系列單片機(jī)作為微控制器，配合超聲波測距傳感器、人體紅外傳感器、步進(jìn)電機(jī)等硬件，實(shí)現(xiàn)有人靠近自動開蓋并關(guān)蓋，桶滿反饋并緊閉垃圾桶的功能。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，開發(fā)成本低，實(shí)用性高。與已有的設(shè)計相比，本系統(tǒng)適用于小區(qū)環(huán)境，具有安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)，能夠幫助改善小區(qū)居住環(huán)境。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)將垃圾桶滿的信息實(shí)時反饋給工作人員，工作人員收到信息，下發(fā)命令開蓋進(jìn)行清理，以此達(dá)到環(huán)境保護(hù)、提高工作效率的目標(biāo)；實(shí)時監(jiān)測是否有人靠近，有人靠近自動開蓋，再自動關(guān)閉，避免了因接觸引起的細(xì)菌傳播。系統(tǒng)總體流程如下：

（1）超聲波測距傳感器和人體紅外傳感器接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令信息進(jìn)行采集；

（2）人體紅外傳感器每隔一定時間檢測是否有人靠近，有人就直接發(fā)送命令給步進(jìn)電機(jī)，帶動垃圾桶蓋打開，垃圾丟放完畢后垃圾桶蓋自動關(guān)閉；

（3）超聲波測距傳感器每隔一定時間對垃圾是否已滿進(jìn)行檢測，如果已滿，就將狀態(tài)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器輸出到串口，并向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送“常關(guān)”的命令，這時即使有人靠近也不會打開垃圾桶；

（4）編寫Python上位機(jī)程序不斷獲取串口信息，發(fā)送到OneNET云平臺上，在云平臺上設(shè)計可視化操作界面，如果有垃圾滿的消息，就會有警報信息，通知工作人員，工作人員就可以通過云端實(shí)時獲取信息并調(diào)度工作人員進(jìn)行清理；工作人員發(fā)送關(guān)閉指令關(guān)閉垃圾桶。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)總體模型

2 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)可分為人體感應(yīng)模塊、超聲波測距模塊、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器模塊和云平臺設(shè)計模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)串口指令并發(fā)送指令給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee具有成本低、功耗低等特點(diǎn)，適合進(jìn)行長期監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸；人體感應(yīng)模塊、超聲波測距模塊、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作模塊設(shè)計在終端節(jié)點(diǎn)上，負(fù)責(zé)接收不同信息并作不同的處理；云平臺主要負(fù)責(zé)顯示狀態(tài)信息并下發(fā)指令。

2.1 人體感應(yīng)模塊

本系統(tǒng)使用的HC-SR501人體感應(yīng)傳感器，是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，被廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。人體紅外傳感器檢測到有人體活動時，其輸出的I/O值發(fā)生變化。當(dāng)傳感器模塊檢測到有人靠近時，會返回一個高電平信號；無人靠近時，返回一個低電平信號，通過檢測I/O口電平狀態(tài)的變化，可判斷是否檢測到周圍有人靠近。本系統(tǒng)每隔一定時間通過人體紅外傳感器檢測是否有人靠近，有人就直接發(fā)送命令給步進(jìn)電機(jī)，帶動垃圾桶蓋打開。

2.2 超聲波測距模塊

SRF05超聲波測距傳感器可以提供2～450 cm的非接觸式距離感測功能，傳感器采用I/O口TRIG觸發(fā)測距，給至少10 μs的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回時，通過I/O口Echo輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=（高電平時間×聲速）/2，聲速為340 m/s。

假設(shè)垃圾桶的寬度為50 cm，超聲波測距傳感器放在垃圾桶靠上方桶壁，每隔一定時間檢測垃圾是否已滿，如果檢測到距離小于一定閾值就說明垃圾已滿，就將該信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器輸出到串口，并向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送“常關(guān)”的命令，即使有人靠近也不會打開垃圾桶。模塊流程如圖2所示。

圖2 超聲波測距模塊流程

2.3 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作模塊

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機(jī)。每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。

本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)功能如下：

（1）收到“ADMIN_OPEN”命令，說明工作人員在進(jìn)行操作，正常打開垃圾桶即可；

（2）收到“ADMIN_CLOSE”命令，說明工作人員在進(jìn)行操作，正常關(guān)閉垃圾桶即可；

（3）收到“OPEN”命令，說明有人靠近，就將垃圾桶打開，過2 s再自動關(guān)閉；

（4）收到“CLOSE”命令，說明垃圾桶滿，使垃圾桶維持關(guān)閉的現(xiàn)狀，即使有人靠近也不會打開垃圾桶。

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作模塊流程如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作模塊流程

2.4 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊

ZigBee協(xié)調(diào)器是數(shù)據(jù)采集和命令下發(fā)的橋梁，能夠?qū)崿F(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。它具有較強(qiáng)的通信能力、處理能力和發(fā)射能力。如圖4所示為協(xié)調(diào)器流程。

圖4 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊流程

2.5 云平臺設(shè)計模塊

設(shè)計云平臺主要是出于可視化和易操作的目的，便于工作人員監(jiān)控和操作。本系統(tǒng)采用中國移動OneNET平臺進(jìn)行設(shè)計。OneNET實(shí)現(xiàn)傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)展現(xiàn)。設(shè)備接入?yún)f(xié)議使用MQTT協(xié)議，MQTT協(xié)議是一種消息隊列傳輸協(xié)議，采用訂閱、發(fā)布機(jī)制，訂閱者只接收自己已經(jīng)訂閱的數(shù)據(jù)，非訂閱數(shù)據(jù)則不接收，既保證了必要的數(shù)據(jù)交換，又避免了無效數(shù)據(jù)造成的儲存與處理負(fù)擔(dān)。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

測試可分為四個步驟：（1）模擬工作人員打開/關(guān)閉垃圾桶，點(diǎn)擊“打開垃圾桶”按鈕則電機(jī)正向轉(zhuǎn)動，點(diǎn)擊“關(guān)閉垃圾桶”按鈕，電機(jī)則會反向轉(zhuǎn)動；（2）模擬垃圾桶滿發(fā)送消息及報警，打開超聲波測距傳感器，模擬垃圾桶滿的場景，將垃圾桶滿的信息展示在云端，如圖5所示；（3）模擬有人靠近并打開垃圾桶，模擬有人靠近人體紅外傳感器，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動，打開垃圾桶，經(jīng)過2 s，電機(jī)反轉(zhuǎn)，垃圾桶自動關(guān)閉；（4）模擬垃圾桶滿且有人靠近，遮住人體紅外傳感器和超聲波測距傳感器來模擬垃圾桶滿且有人靠近場景，步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動；只遮住人體紅外傳感器模擬有人靠近情況，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。

圖5 云平臺智能垃圾桶狀態(tài)展示

本系統(tǒng)設(shè)計的手機(jī)端數(shù)據(jù)可視化界面如圖6所示。頂部懸浮球可實(shí)時顯示垃圾桶是否已滿的情況，如不滿則顯示“真好!”，如果滿則顯示“警報！”，以提醒工作人員及時清理。下方“打開垃圾桶”按鈕可打開垃圾桶和關(guān)閉垃圾桶。“開啟人體紅外檢測”和“開啟超聲測距檢測”按鈕則可將對應(yīng)傳感器打開或關(guān)閉。

圖6 手機(jī)端可視化界面

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了垃圾桶自動開蓋、測滿、反饋的功能，通過傳感器獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，在云平臺上進(jìn)行反饋和命令的下發(fā)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了人靠近自動開蓋、垃圾桶滿實(shí)時向工作人員反饋且即使有人靠近也不會開蓋的功能，提高了工作效率，有助于改善城市小區(qū)環(huán)境。