吳偉烈,劉如軍
(嶺南師范學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院,廣東 湛江 524048)
垃圾的處理問(wèn)題已經(jīng)成為全球性問(wèn)題。隨著人工智能技術(shù)的成熟以及人們生活水平的提高,人們也愈發(fā)追求智能化的生活。智能家居、智慧城市發(fā)展迅速,而垃圾桶作為生活中不可缺少的工具之一,并未隨著智慧城市的發(fā)展而得到快速改進(jìn),很多公眾場(chǎng)所仍然使用著傳統(tǒng)的大型垃圾桶。傳統(tǒng)垃圾桶露天放置,裝滿(mǎn)后若不及時(shí)清理,容易散發(fā)異味和滋生細(xì)菌,甚至污染環(huán)境。目前,市面上出現(xiàn)的智能垃圾桶,如自動(dòng)翻蓋垃圾桶、踢碰感應(yīng)垃圾桶、自動(dòng)報(bào)滿(mǎn)垃圾桶,它們功能單一、價(jià)格昂貴,而且適用范圍小,大多只滿(mǎn)足于家用。
針對(duì)以上問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一款基于智能化管理的公用垃圾桶。該智能垃圾桶以Arduino作為主控,結(jié)合一系列傳感器感知垃圾桶的狀態(tài)信息,通過(guò)ESP8266模塊將狀態(tài)信息及時(shí)上傳到服務(wù)器,環(huán)保部門(mén)可以通過(guò)微信小程序?qū)崟r(shí)查看垃圾桶的信息,若垃圾桶裝滿(mǎn)而產(chǎn)生溢出或桶內(nèi)溫度過(guò)高、桶內(nèi)起火等情況則自動(dòng)報(bào)警。
本設(shè)計(jì)主要具有定位、自動(dòng)開(kāi)蓋、語(yǔ)音提示、判斷垃圾桶是否裝滿(mǎn)等功能。單片機(jī)通過(guò)ESP8266模塊將垃圾桶的編號(hào)、狀態(tài)等信息與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,微信小程序獲取服務(wù)器的數(shù)據(jù)后在用戶(hù)端顯示狀態(tài)信息。用戶(hù)或環(huán)衛(wèi)部門(mén)可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)微信小程序得知垃圾桶狀態(tài),并且可以統(tǒng)籌規(guī)劃特定區(qū)域內(nèi)垃圾桶的擺放。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件主要以Arduino單片機(jī)作為主控,系統(tǒng)整體框架如圖2所示,主要由太陽(yáng)能充電模塊、紅外檢測(cè)模塊、通信模塊、高度檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、語(yǔ)音播放模塊等組成。
圖2 系統(tǒng)整體框架
系統(tǒng)以單片機(jī)微處理器為主控芯片,結(jié)合人體紅外傳感器和機(jī)械電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)垃圾桶蓋自動(dòng)開(kāi)啟。利用桶內(nèi)置溫度傳感器和桶蓋上超聲波模塊檢測(cè)垃圾桶的狀況,若超過(guò)預(yù)定的閾值時(shí),垃圾桶自動(dòng)開(kāi)啟功能失效并觸發(fā)報(bào)警功能。通信模塊定時(shí)將垃圾桶的狀態(tài)信息上傳到服務(wù)器,顯示模塊顯示垃圾桶內(nèi)溫度及內(nèi)部空間情況。用戶(hù)可以通過(guò)微信小程序查看垃圾桶的狀態(tài)信息。當(dāng)智能垃圾桶內(nèi)置鋰電池電壓不足時(shí),太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電,滿(mǎn)足垃圾桶的用電需求。
垃圾桶的自動(dòng)開(kāi)蓋系統(tǒng)是由人體感應(yīng)模塊、超聲波模塊以及電機(jī)組成的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)超聲波高度檢測(cè)模塊檢測(cè)垃圾桶內(nèi)部的空間,當(dāng)桶內(nèi)空間充足,單片機(jī)獲取人體感應(yīng)模塊返回的信號(hào)為高電平時(shí),控制繼電器帶動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)開(kāi)蓋。若單片機(jī)獲取安裝在垃圾桶內(nèi)部邊沿的紅外接收器返回信號(hào)為低電平時(shí),說(shuō)明垃圾已正確投放,控制繼電器帶動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)合蓋;若檢測(cè)不到紅外接收器返回的低電平,則延時(shí)一定的時(shí)間后,進(jìn)行合蓋操作。當(dāng)內(nèi)部空間不足時(shí),不進(jìn)行任何自動(dòng)開(kāi)蓋操作,同時(shí)短信通知用戶(hù)及時(shí)清空垃圾桶。自動(dòng)開(kāi)蓋系統(tǒng)工作流程如圖3所示。
圖3 自動(dòng)開(kāi)蓋系統(tǒng)工作流程
本系統(tǒng)的語(yǔ)音播放模塊采用集單片機(jī)和語(yǔ)音電路于一體的可編輯語(yǔ)音芯片WT588D,可通過(guò)配套軟件WT588D voiceChip實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音組合播放、插入音樂(lè)等功能,設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)拉高WT588D的I/O口進(jìn)行初始化,根據(jù)需要拉低某一引腳即可播放相對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音。語(yǔ)音播放流程如圖4所示。
圖4 語(yǔ)音播放流程
本設(shè)計(jì)采用ATGM332D北斗和GPS雙模定位模塊,該模塊具有成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn),通過(guò)模塊輸出的數(shù)據(jù)可以獲取北京時(shí)間、經(jīng)緯度、海拔高度、速度和航向等常用的基本信息,還可以獲取當(dāng)前的定位質(zhì)量和定位模式、連接的GPS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量和北斗系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量。圖5為定位模塊與單片機(jī)引腳連接圖。
圖5 定位模塊接線(xiàn)圖
當(dāng)在室外公共場(chǎng)所進(jìn)行定位時(shí),大概需要1 min左右的時(shí)間便可以獲取垃圾桶所在位置數(shù)據(jù);根據(jù)分析返回的數(shù)據(jù)幀獲取當(dāng)前的經(jīng)緯度信息,通過(guò)通信模塊將經(jīng)緯度信息上傳到服務(wù)器;微信小程序利用騰訊地圖的逆地址解析,在地圖上標(biāo)志當(dāng)前的位置信息。定位效果和當(dāng)前位置效果如圖6所示。
圖6 定位垃圾桶及使用者當(dāng)前位置
系統(tǒng)初始化后播放開(kāi)機(jī)語(yǔ)音,并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和定位。當(dāng)溫度正常、內(nèi)部空間足夠時(shí),若有人靠近,執(zhí)行自動(dòng)開(kāi)蓋功能和語(yǔ)音播放功能;若溫度過(guò)高或者內(nèi)部空間不夠,則不開(kāi)蓋并執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的報(bào)警功能。系統(tǒng)定時(shí)上傳智能垃圾桶內(nèi)溫度、內(nèi)部空間情況以及定位信息到服務(wù)器。軟件系統(tǒng)流程如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)軟件流程
利用巴法云發(fā)布訂閱模式設(shè)置好主題,通過(guò)ESP8266模塊向設(shè)置好的主題發(fā)送消息,已訂閱該主題的微信小程序會(huì)實(shí)時(shí)收到信息,顯示出智能垃圾桶的狀態(tài)信息。微信小程序的界面如圖8所示。
圖8 微信小程序的主界面
本文基于傳統(tǒng)公共垃圾桶的使用現(xiàn)狀,提出了一種基于SIM800C的公共智能垃圾桶的設(shè)計(jì)方案,對(duì)其軟件和硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作和調(diào)試。
測(cè)試結(jié)果表明,該垃圾桶具有語(yǔ)音播放、自動(dòng)開(kāi)蓋、裝滿(mǎn)報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能,功能多樣、定位準(zhǔn)確,有利于對(duì)公共垃圾桶的智能化管理和環(huán)境衛(wèi)生治理。
計(jì)劃下一步在實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)、對(duì)可回收垃圾進(jìn)行有效處理等方面做更深入的研究。