基于物联网技术的智能打包垃圾桶系统设计.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation342023 年 第 19 期文章编号：2095-6835（2023）19-0034-05基于物联网技术的智能打包垃圾桶系统设计施允洋，曹庆锦，邓江林，杨晓天（宿迁学院，江苏 宿迁 223800）摘要：针对传统垃圾桶存在无法自动打包、垃圾积存时间过久会产生异味等问题，设计一种基于物联网技术的智能垃圾桶。该智能垃圾桶通过机械传动机构、加热丝实现对垃圾袋的自动封口；利用物联网模块与互联网实现连接，通过语音平台控制垃圾桶的打包功能；采用 OPENMV 摄像头及小车运动机构实现垃圾桶的自动定位，将打包后的垃圾推送至指定地点。测试结果表明，所设计的智能垃圾桶系统工作稳定可靠，实现了对垃圾的自动打包和运送功能。相比传统垃圾桶，该设计改善了使用体验，应用前景良好。为智能家居领域的垃圾处理提供了一种新的解决方案，具有一定的指导意义。关键词：物联网；自动打包；图像识别；智能垃圾桶中图分类号：TP29文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.011由于人们生活节奏越来越快，各行各业呈现出一种智能化的趋势，智能家居、智慧城市得到了快速发展。家居的智能化不仅方便了人们的生活，而且使人们的生活品质得到了很大的提升1-3。垃圾桶作为生活中不可或缺的日常生活用品，并没有跟上智能化趋势的大潮，并且在注重品质生活的今天，传统垃圾桶已逐渐显示出其弊端。传统敞口式或有盖式垃圾桶一般会出现垃圾即将装满而使用者未更换垃圾袋的情况，这样容易使垃圾桶与垃圾袋里面的垃圾接触，导致垃圾桶污染，而后还要对垃圾桶进行清理，这违背了当今简便生活的理念4-5。并且虽然有盖式垃圾桶比敞口式卫生，但是每次扔垃圾都要开盖，十分不便捷。传统的敞口式垃圾桶没有实现对垃圾的封闭处理，不能阻止垃圾与生活环境的接触，容易引起细菌的滋生，发出难闻的气味，使人们的身体健康受到威胁6-7。现在市面上所存在的智能垃圾桶大多功能单一，如支持离线语音识别的可分类智能垃圾桶，可以通过语音识别实现垃圾分类8；结合语音识别、GPS 定位及人体感应的智能分类垃圾桶，可以潜移默化地让人们养成垃圾分类的好习惯9。当前市面上也逐步出现了一些智能垃圾桶，但其价格昂贵、智能化不全面使人们望而却步，如一种通过人工智能控制和机器学习技术实现自动捕捉落下垃圾的垃圾桶，该垃圾桶基于无线通信、网络、物联网和人工智能等技术，对硬件要求较高10；或如一种采用 HCSR-04 超声波传感器检测垃圾密度的垃圾桶，构建的测试系统可以显示垃圾的高度数据，提供垃圾状态信息，并通过警示提醒来确定清空垃圾箱的状态，从而减少垃圾堆积的情况11；又或如布置一种基于无线传感器网络的智能垃圾桶管理系统实现实时检测和智能管理的垃圾桶12-13。为了跟上家居智能化蓬勃发展的大潮，垃圾桶也需跟上发展的脚步。本文设计的智能垃圾桶是集机械、电子、健康于一体的智能家居设计，系统结构简单，操作方便，具有较好的市场前景。1系统设计方案本文目的是改进传统垃圾桶，如实现垃圾桶在接收到打包指令后完成对垃圾袋的封口并推至指定地点、可以通过天猫精灵等网络智能音箱实现对垃圾桶的控制、当有人触发传感器则自动打开上盖等。系统框图如图 1 所示，该系统由微处理器、打包机构、小车行走控制、物联网通信、加热丝等模块组成。图 1系统框图由图 1 可计算出系统主控芯片共需 2 个串口、18个数字型I/O口、5个PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）口（或者 2 个串口、15 个数字型 I/O 口、8 个 PWM 口）。对微处理器 I/O 口数量要求较高，同时基金项目宿迁市科技计划（编号：K202114）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期35兼顾主控芯片与摄像头通信速度，本文选用 AVR 的ATmega2560 作为控制核心，其硬件资源符合本文设计要求。系统摄像头选用开源平台的 OPENMV 摄像头，其内部核心是一款STM32H743II ARM Cortex M7处理器，主频高达 480 MHz，拥有 1 MB RAM 及 2 MB Flash空间，同时还可以通过 TF 卡扩展，实现图像拍摄、视频录制、人脸识别等功能14。该摄像头采用 Micropython 编程，内置 SPI 总线、I2C 总线、CAN 总线、1 个 12-bitADC 和 1 个 12-bit DAC、2 路 PWM，能够满足垃圾桶使用要求15。本文研究的是一款家用垃圾桶，主要考虑 Zigbee、Wi-Fi、蓝牙等近距离无线网络通信技术，当前每个家庭都有 Wi-Fi，考虑到成本及实用性，选用 ESP-01S 作为系统物联网模块，该模块具有低功耗、性能稳定、集成度高、开发环境优越、价格低廉等优点，其通过串口可以与主控芯片进行通信16。由于系统需要将垃圾袋进行封口，本文采用电热丝加热的方法来实现，因而需要将垃圾袋顶部挤压，挤压后的垃圾袋通过机构压在电热丝上，从而实现封口功能。考虑到系统稳定性及打包效果，本文采用丝杆螺母机构带动 2 根杆件实现垃圾袋封口。该机构相比带传输，其压紧力更大，封口效果也会更好，因而作为本文打包机构方案。2系统机架设计根据常规垃圾桶尺寸，本次设计的智能垃圾桶尺寸为：270 mm260 mm370 mm，壁厚为 5 mm。垃圾桶主体由行走机构、推出机构、打包机构 3 部分组成。机械设计以使用功能符合用户所需、在规定使用条件下系统具有较高的可靠性、系统操作维护简单等原则进行设计，以每个零件的二维图为基础，确定各个零件的具体形状以及尺寸，再通过 Creo 软件进行三维建模，绘制出每个零件的三维图，对建模零件进行装配并设置仿真参数，观察系统运行可行性，从而降低后期调试难度。垃圾桶三维外观图如图 2 所示。（a）垃圾桶总体结构（b）底部结构1垃圾桶上盖板；2电热丝；3OPENMV 摄像头；4步进电机；5推板；6推板舵机；7前门；8前门舵机；9超声波传感器；10支撑板；11麦克纳母轮；12物联网模块；13系统控制电路；14电池；15电机。图 2垃圾桶三维外观图丝杆螺母机构中采用 T 形丝杆，假定电机转速n=180 r/s，丝杆有效行程 s=240 mm，打包时间 t=10 s，则导程 L 计算如下：mm 8101802406060ntsL同时为了兼顾系统运行稳定性，选用直径 8 mm、螺距 S=2 mm、导程 L=8 mm 的 T 形丝杆。3系统硬件设计系统采用 ATmega 2560 作为主控芯片，该芯片符合系统硬件需求，包括 I/O 数量、串口数量，ATmega2560 芯片 33、34 两个管脚接晶振，频率 16 MHz；30管脚为系统复位电路，上电时自动复位。电热丝控制电路采用 IRF520 MOS 管驱动，其基极为+5 V 时即可驱动，为方便查看电热丝工作状态，加热信号上并联一个 LED 灯，代表电热丝工作状态，电热丝通断电路如图 3 所示，其中 R1 为限流电阻，避免 LED 因功率过大而损坏，DIANRESI 为接插件，提供 2 个端子连接电热丝两端。图 3电热丝控制电路+12 V科技与创新Science and Technology&Innovation362023 年 第 19 期本系统需要 DC12 V、DC5 V 和 DC3.3 V，因而采用总输入为 DC12 V、5 V 和 3.3 V 均由 12 V 转换而来。系统电源电路如图 4 所示，DC12 V 通过 L7805 直流电压转换芯片转换成 5 V，L7805 是一款三端稳压芯片，其输入电压为 DC718 V，输出为 DC5 V。DC5 V 通过 AMS1117 转换为 3.3 V，AMS1117 是一款高效线性稳压器，常用于 5 V 至 3.3 V 转换。同时为系统电压稳定，加入滤波电容提高电压质量。图 4系统电源电路4系统软件设计及调试4.1系统工作流程系统工作流程如图 5 所示，系统上电后即开始对各机构进行复位，然后不停地检测超声波距离传感器测量的距离值是否小于 20 cm 及天猫精灵是否发出打包信号或物联网平台发送的定时打包指令，三者有一个触发即进行相对应的处理。当收到打包信号后，ATmega 2560 不断读取色块坐标从而判断是否达到指定地点，当到达指定地点后即可进行打包，待打包完成后，系统再次读取目标色块中心坐标，控制垃圾桶移动到初始位置，完成整个流程。图 5系统工作流程图4.2追踪目标色块算法为方便检测垃圾桶位置，本节以红色小球作为检测对象，其在屏幕中的位置如图 6 所示（OPENMV 摄像头设置为 QVGA 分辨率），设置待检测颜色阈值，即 red_threshold=（20，75，35，66，40，53）。图 6OPENMV 显示示意图将目标中心的坐标 cx、cy通过 OPENMV 串口发送至主控芯片，主控芯片收到坐标后，对坐标进行分析并控制小车移动。小车移动控制与色块中心坐标满足以下关系：通过 cx值对小车左右偏移进行控制，设置比较值为 155165，当检测到 cx155 时，目标小球偏向小车正前方的左侧，此刻控制小车向左旋转；当cx165 时，目标小球偏向小车正前方的右侧，此刻控制小车向右旋转。通过实时检测及控制色块水平坐标值满足 155cx165 来确保色块在小车的正前方。在检测过程中如果未能发现目标色块，则控制小车原地旋转 30后再检测，直至检测到目标色块。当色块水平坐标符合要求后，控制小车向前移动，向前移动需要进行调试，如图 7 所示，目标色块与摄像头之间的垂直距离 h 决定色块中心的坐标。当垃圾桶向前移动时，摄像头与目标色块水平距离 s 会减小，色块中心在屏幕上位置会逐渐上升，通过检测 cy值可以判断垃圾桶与目标色块的距离，从而实现垃圾桶定点打包。图 7检测目标色块示意图4.3系统调试当完成机械部分设计、组装及硬件电路焊接后，scxcyh+12 V+12 V+3.3 V+5 V+5 V+5 V+12 V20cm10F0.1F0.1F0.1F0.1F100 F坐标（320，240）100 F读取 OPENMV 发回色块中心坐标坐标（0，0）100 FScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期37即可对系统进行调试，样机如图 8 所示。（a）垃圾桶框架（b）控制电路图 8垃圾桶实物图待 OPENMV 可以有效地将目标色块中心坐标发送至主控芯片后，根据寻求算法即可对系统进行调试，对色块高度进行调节。经调试，目标色块中心高于摄像头 5 cm 时，系统工作稳定，当检测的 cy20 时，小车停止移动，此时垃圾桶可以停在一个较合适位置，如图 9 所示。图 9垃圾桶停止位置情况同时调节电机旋转方向、位置传感器安装位置，观察压杆运行状态。当 2 根压杆运动到待定位置后，调试电热丝加热时间，经调试，本文中的电热丝加热时间为 600 ms，丝杆打包时间约为 10 s 时系统最稳定。600 ms 加热时间封口效果如图 10 所示。当ESP-01S可以连接到Wi-Fi后，需要通过Blinker平台将 ESP-01S 连入互联网并实现远程控制，可以方便快捷地对物联网设备进行设置及控制。通过 Blinker平台查看 ESP-01S 是否连接稳定，通过发送指令确定设置是否正确，Blinker 平台设置每天定时打包时间，检测程序是否正确，设置图片如图 11 所示。经测试，系统可以按照设定时间自动完成对垃圾袋封口及推到指定位置。图 10封口效果图 11设置定时打包5结束语本文设计了一种可以通过智能音箱控制（或定时控制）垃圾袋打包并将打包后的垃圾推送到指定位置的智能垃圾桶。完成了机械结构的设计、硬件电路的设计和系统软件的编程。通过调整摄像头和目标色块高度来完成软件编程中重要参数的设定，同时注意调试系统各功能，最终获得了良好的封口效果及功能实现。本次设计的垃圾桶更加人性化、智能化，符合现代人生活理念，是智能家居发展的分支之一。参考文献：1胡煜，王勋，陶铭.基于 NB-IoT 的智能垃圾桶系统设计与实现J.物联网技术，2021，11（5）：96-98，103.2RIYANTO V，ROSYIDAS，ARIYATI I，et al.Smart trashearly warning system based on internet of thingsC/20197th International conference on cyber and IT servicemanagement（CITSM），Jakarta：IEEE，2019：1-5.3ZHU Y，JIAG，HAN G，et al.An NB-IoT-based smart trashcan system for improved health in smart citiesC/2019 15th科技与创新Science and Technology&Innovation382023 年 第 19 期International wireless communications&mobile computingconference（IWCMC），Tangier：IEEE，2019：763-768.4黄伦，刘沛，谭涛.智能垃圾分拣系统的模拟与实现J.机电工程，2014，31（11）：1452-1456.5SALIMII，DEWANTARAB SB，WIBOWOI K.Visual-basedtrash detection and classification system for smart trash binrobotC/2018 International electronics wymposium onknowledge creation and intelligent 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design of smart trash cansmanagement systemC/2019 6th International conferenceon systems and informatics（ICSAI），Shanghai：IEEE，2019：973-977.13康庄，杨杰，郭濠奇.基于机器视觉的垃圾自动分类系统设计J.浙江大学学报（工学版），2020，54（7）：1272-1280，1307.14陈璨.基于 OpenMV 的螺旋埋弧焊钢管焊缝跟踪系统研究D.荆州：长江大学，2019.15李遥，丁艺涛，潘登，等.基于机器视觉的银行 ATM 机风险报警系统J.科技视界，2019（19）：53-55.16朱建明.输变电设备物联网关键技术研究J.中国设备工程，2020（5）：26-27.作者简介：施允洋（1988），男，江苏宿迁人，硕士，实验师，研究方向为电子设计、新能源应用。（编辑：张超）（上接第 33 页）的建设初期都会选择平整的场地，因此建模只需对光伏发电系统内部的结构、电池板的倾斜角度等常规部分进行考虑，但目前很多发电站建设在山区等地形复杂的地区，甚至还有多样的串联、并联发生，对建模的准确性带来了一定程度的影响，因此需要根据实际情况进行模型的修正。4结束语太阳能作为一种可再生资源，不仅帮助缓解了世界的能源危机，太阳能的环保性对改善生态环境也具有重要的作用。通过调查分析大量国内外相关文献资料，阐述了光伏发电系统、光伏发电系统预测的意义等，分析了光伏发电系统的输出特性，提出光伏发电系统输出功率预测方法，其中直接预测方法包括多元线性回归算法、马尔科夫链预测、BP 神经网络算法、支持向量机、组合预测法等，直接预测法和间接预测法都可帮助建立光伏发电站出力模型，提升预测的精度，提升光伏发电系统的稳定性、安全性等，提高发电质量。参考文献：1杨博.基于改进遗传算法的光伏发电系统功率预测及控制技术分析J.电脑编程技巧与维护，2021（9）：46-48.2吴硕.光伏发电系统功率预测方法研究综述J.热能动力工程，2021，36（8）：1-7.3韩超杰.光伏发电系统功率预测方法的研究D.郑州：华北水利水电大学，2021.4张博文.光伏发电系统功率预测及控制技术研究D.重庆：重庆理工大学，2020.5陈高.光伏发电系统的功率预测与接入影响研究D.昆明：昆明理工大学，2017.作者简介：夏权（1983），男，甘肃兰州人，硕士，高级工程师，研究方向为农业气象与生态、气候资源开发利用。（编辑：严丽琴）