劉 悅，羅相東

（廣西師范大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題逐漸被人們重視，其中最為突出的就是垃圾分類處理問(wèn)題。垃圾分類的好壞成為評(píng)判一個(gè)城市綠色發(fā)展的重要指標(biāo)，以商場(chǎng)為例，商場(chǎng)環(huán)境問(wèn)題與小區(qū)、地鐵站等場(chǎng)所不同，具有一定的特殊性。一方面在于大型商場(chǎng)上百個(gè)商戶聚集一處，產(chǎn)生的垃圾數(shù)量巨大；另一方面商場(chǎng)內(nèi)商戶經(jīng)營(yíng)范圍極廣，垃圾種類繁多[1]。這都為垃圾分類的執(zhí)行落地造成了不小的困難，需要一種能夠和傳統(tǒng)分類方法結(jié)合的創(chuàng)新系統(tǒng)。

目前，市面上的垃圾分類裝置只是表面上解決了垃圾分類問(wèn)題，但呈現(xiàn)單一化、無(wú)親和力等特點(diǎn)，且在一些商場(chǎng)內(nèi)部，垃圾分類裝置設(shè)置不明顯、不合理，垃圾分類實(shí)施不規(guī)范，垃圾投放引導(dǎo)不到位導(dǎo)致垃圾清理不及時(shí)、人員隨意丟棄垃圾，造成環(huán)境臟亂差。

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾分類系統(tǒng)能夠較大程度上解決以上問(wèn)題，不僅能改善商場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境，還能引導(dǎo)大家正確投放垃圾。外圍包覆的環(huán)繞式有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示器可以播放廣告、動(dòng)畫(huà)以及引導(dǎo)畫(huà)面，在帶來(lái)額外收益的同時(shí)使得該系統(tǒng)更具親和力和科技感；無(wú)接觸式投放更安全，滿足防控需要；傳感器探頭能夠及時(shí)傳遞狀態(tài)信息，減少垃圾存放久、清理不及時(shí)的問(wèn)題[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由三分類垃圾箱本體、STM32主控、物聯(lián)網(wǎng)模塊、定位模塊、環(huán)繞式OLED顯示屏、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、各路傳感器以及舵機(jī)組成，如圖1所示。三分類垃圾箱本體中，每個(gè)單分類垃圾筒配備有一個(gè)舵機(jī)、一個(gè)紅外感應(yīng)器以及一個(gè)重量傳感器。其中，紅外傳感器用來(lái)檢測(cè)上方是否有物體和下方桶內(nèi)是否出現(xiàn)垃圾溢出；舵機(jī)負(fù)責(zé)控制垃圾筒筒蓋的推拉閉合；重量傳感器放置于垃圾筒筒底，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)垃圾筒重量信息和狀態(tài)變化。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 定位模塊

商場(chǎng)內(nèi)部，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)被嚴(yán)重影響，導(dǎo)致（Global Positioning System，GPS）或者北斗無(wú)法發(fā)射定位，所以主要采用由無(wú)線通信、基站定位以及慣導(dǎo)定位等多種技術(shù)集成的一套室內(nèi)位置定位體系，從而實(shí)現(xiàn)垃圾分類裝置在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控。采用超寬帶（Ultra Wideband，UWB）定位模塊，其室內(nèi)定位原理和衛(wèi)星定位原理類似，需要依靠4個(gè)已知坐標(biāo)位置的基站進(jìn)行定位，設(shè)備攜帶定位標(biāo)簽。通過(guò)定位模塊，可以及時(shí)安排人員清理該位置的垃圾桶，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，與此同時(shí)，配合紅外感應(yīng)傳感器傳遞的數(shù)值大小預(yù)估所在位置的人流量，分流量設(shè)置廣告投放[3]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)模塊

物聯(lián)網(wǎng)模塊嵌入在垃圾處理裝置內(nèi)部，能夠連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。此裝置采用ZigBee模塊進(jìn)行通信，ZigBee是一個(gè)由很多無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，每一個(gè)ZigBee模塊都可以在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行相互通信，具有低能耗、低成本、快速、安全以及可靠的特點(diǎn)，應(yīng)用模塊電路如圖2所示。

圖2 ZigBee模塊電路

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊被廣泛應(yīng)用于通信、控制以及醫(yī)療等領(lǐng)域，可以收集并記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)試、系統(tǒng)運(yùn)行等過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)或者是數(shù)據(jù)流，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸向用戶提供原始數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過(guò)外置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可進(jìn)行廣告信息的存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程更替，并將垃圾桶應(yīng)用次數(shù)和狀態(tài)信息收集到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后期分析與研究。

2.4 環(huán)繞式OLED顯示屏

環(huán)繞式OLED顯示器是包覆在該系統(tǒng)垃圾處理裝置本體上的柔性O(shè)LED屏幕，具有360°無(wú)死角展示的特點(diǎn)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將所需播放的廣告導(dǎo)入，可進(jìn)行全天候的播放，收取廣告盈利。與此同時(shí)，當(dāng)用戶扔垃圾時(shí)，屏幕亮起垃圾入桶畫(huà)面，并顯示所丟棄垃圾類型，給予規(guī)范引導(dǎo)。用戶也可以通過(guò)登錄云平臺(tái)或掃描裝置二維碼進(jìn)行廣告位預(yù)定，待審核后可播放已選定廣告內(nèi)容[4]。該環(huán)繞式OLED顯示屏給傳統(tǒng)垃圾分類行業(yè)增加了科技感與額外盈利點(diǎn)，能夠解決現(xiàn)階段垃圾處理裝置無(wú)親和力且只是消耗品這一問(wèn)題。

2.5 電源模塊

該系統(tǒng)采用內(nèi)外雙置電源，內(nèi)置可拆卸鋰電池，能夠正常使用15 d不充電，可應(yīng)用于突發(fā)情況，STM32F103ZET6主控、傳感器模塊等的工作電壓為3.3 V，可由主控直接供給。外置商場(chǎng)用電，直接供給環(huán)繞式OLED顯示屏，減少設(shè)備因過(guò)熱發(fā)生的短路現(xiàn)象。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 定點(diǎn)投放，廣告互動(dòng)

為了提高商場(chǎng)內(nèi)垃圾分類裝置的性價(jià)比，本裝置采用垃圾桶外包覆環(huán)繞式OLED顯示屏進(jìn)行廣告宣傳，主要通過(guò)掃描垃圾處理裝置本身的二維碼實(shí)現(xiàn)廣告的定點(diǎn)投放，可通過(guò)微信小程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作。微信小程序是近幾年特別流行且方便的一個(gè)功能，是快應(yīng)用的一種，基于使用人群，不需下載安裝，更加方便快捷，主要涉及的相關(guān)技術(shù)包括JavaScript、WXML以及WXSS等[5]。定點(diǎn)投放廣告流程如圖3所示，用戶掃二維碼進(jìn)入微信小程序填寫(xiě)所需制作廣告的信息，成功后即可在OLED屏上顯示，增強(qiáng)美觀性的同時(shí)增加了隱性廣告收入，提高了性價(jià)比。

圖3 用戶定點(diǎn)投放廣告流程

3.2 云端控制，精準(zhǔn)定位

該裝置中定位模塊與傳感器模塊等終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的信息通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器處理后顯示在商場(chǎng)的控制終端。

為實(shí)現(xiàn)垃圾桶滿溢后的及時(shí)清理，本系統(tǒng)采用UWB定位模塊與ZigBee無(wú)線通信模塊，為商場(chǎng)內(nèi)的終端控制值班人員做到云端提醒，工作人員再根據(jù)UWB節(jié)點(diǎn)信息精準(zhǔn)定位已滿垃圾桶位置，提高工作效率。

此外，該系統(tǒng)能夠通過(guò)ZigBee技術(shù)和串口通信向下傳遞正確的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能垃圾桶的調(diào)度。定位管理功能需校對(duì)垃圾分類裝置的信息完整度，并對(duì)定點(diǎn)投放的垃圾桶信息進(jìn)行編號(hào)、存儲(chǔ)。系統(tǒng)根據(jù)垃圾分類裝置滿溢情況向控制終端發(fā)出警報(bào)，提示商場(chǎng)管理員進(jìn)行處理，并在控制終端上顯示出該垃圾分類裝置的具體位置，再由工作人員前往處理，提高了工作效率，減少人員冗余[6]。

3.3 規(guī)范引導(dǎo)，安全可靠

為了解決商場(chǎng)流動(dòng)人員垃圾分類不規(guī)范的問(wèn)題，提出了如圖4所示的垃圾分類引導(dǎo)流程，當(dāng)紅外感應(yīng)檢測(cè)到有人靠近時(shí)，智能垃圾桶會(huì)顯示相關(guān)垃圾的分類信息，提醒商場(chǎng)流動(dòng)人員扔往對(duì)應(yīng)的桶。垃圾桶利用顯示模塊中可視化的OLED屏幕實(shí)現(xiàn)投擲引導(dǎo)功能，若垃圾桶未滿，則OLED屏幕上顯示垃圾分類提示信息和當(dāng)前垃圾桶的使用方法；若垃圾桶已滿，則OLED屏幕上顯示附近其他同類垃圾桶的信息。此智能垃圾桶全程無(wú)接觸，安全可靠，實(shí)用性高[7-11]。

圖4 垃圾分類引導(dǎo)流程

4 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾分類系統(tǒng)能夠更好地解決商場(chǎng)內(nèi)垃圾處理不及時(shí)、復(fù)利現(xiàn)值不高的問(wèn)題，利用本身優(yōu)勢(shì)，增加額外贏利點(diǎn)，引導(dǎo)大家合理規(guī)范投擲垃圾，實(shí)現(xiàn)了垃圾狀態(tài)信息及位置信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、用戶自如投放廣告等，具有高效率、高回收率、美觀實(shí)用的特點(diǎn)，有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。