基于LoRa技术的智能垃圾桶系统设计.pdf

信息化技术成组技术与生产现代化 年第 卷第期收稿日期:作者简介:王丽娟(),女,河南长葛人,硕士,教授,研究方向为智能控制技术.文章编号:()基于L o R a技术的智能垃圾桶系统设计王丽娟,张基莉(郑州升达经贸管理学院 信息工程学院,河南 郑州 ;郑州轻工业大学 物理与电子工程学院,河南 郑州 )摘要:鉴于研发智能高效垃圾桶意义重大,采用S T C C 开发板搭建智能垃圾桶系统的硬件电路,实现了人体红外检测和垃圾满溢、有害气体浓度超标的声光报警功能.采用长距离无线通信技术(L o n gR a n g e,L o R a)向服务器上传采集的数据,通过P C端实时检测垃圾桶状态,实现了智能垃圾桶系统的设计目标.关键词:L o R a;智能垃圾桶;S T C C ;传感器中图分类号:TN 文献标识码:Ad o i:/j i s s n 垃圾分类有助于建设优美环境,减少环境污染,节约社会资源.垃圾桶作为城市不可或缺的公共卫生设施,其布局合理性与垃圾分类投放措施的落实密切相关.目前市面上常见垃圾桶的功能和结构较为简单,导致使用中垃圾桶周围脏、乱、差的现象屡见不鲜.学校和居民小区可见的分类投放垃圾桶,采用人工手动的开盖方式,需要用手接触桶盖才能完成垃圾投放,很容易在垃圾投放过程中让投放垃圾者沾染细菌而导致交叉感染.针对智能垃圾桶,国内有较多学者从不同侧重点进行过研究和设计,如:陈铎等采用A r d u i n o单片机和WE GA S UN M 语音识别模块,设计和实现了一款可语音控制的智能垃圾桶;孟心涛等设计的智能垃圾桶监控系统采用物联网技术,以红外测距仪和重力感应器为主体对桶内垃圾容量进行实时监控,以便工作人员能及时处理垃圾满溢的垃圾桶;潘仲勋等为实现更好的人机交互,调用百度云开发平台中的语音识别技术,完成了语音向字符串的转换,并采用深度学习技术实现了垃圾的图像识别.为进一步研究智能垃圾桶,本文从便于垃圾投放、实时向工作人员提供垃圾桶信息着手,利用长距离无线通信技术(L o n gR a n g e,L o R a)模块,开发设计一种集自动开/合盖、垃圾满溢和有害气体自动检测报警、远程通信于一体的智能垃圾桶系统.设计内容与目标智能垃圾桶系统的开发设计主要包括系统结构设计、硬件选型和软件开发三部分.设计目标主要有下列个:第一,在人体感应模块感知到行人投放垃圾前后,控制器驱动舵机自动开/合垃圾桶盖;第二,在传感器检测到桶内有害气体或垃圾的量超过设定阈值时,系统会触发声光报警机制,同时将垃圾桶的位置信息通过L o R a模块发送至P C端,提醒工作人员及时清理;第三,在传感器检测到桶内有害气体浓度或垃圾的量超过所设阈值后,系统会将“垃圾满溢”或“存在有害气体”的信息通过L o R a通信模块发送到服务器端;第四,在垃圾桶内加装间隔板来实现垃圾分类回收,并加装能匹配空气质量检测的传感器来准确高效地检测有害气体浓度,同时要构建垃圾桶智能检测管理系统数据库和相应的服务器.此外,相比于其他智能垃圾桶的研究,本文设计的智能垃圾桶系统应具有功耗小、易部署、成本低等特点.信息化技术G r o u pT e c h n o l o g y&P r o d u c t i o nM o d e r n i z a t i o nV o l ,N o ,系统设计 设计系统结构智能垃圾桶系统的架构(图)包括信息采集单元、信息处理单元和信息输出单元.信息采集单元可采集垃圾是否满溢、有害气体浓度是否超过设定阈值、是否有行人靠近类信息.采集单元是由人体感应模块、垃圾满溢检测模块和有害气体检测模块构成的.其中:人体感应模块用于检测是否有行人靠近垃圾桶的状态信息;垃圾满溢检测模块用于检测桶内垃圾是否满溢的状态信息;有害气体检测模块用于识别垃圾桶内是否存在浓度过高的有害气体.图智能垃圾桶系统的架构信息处理单元为系统的主控模块,能够对信息采集单元采集的是否有人靠近、垃圾满溢、有害气体超标等状态信息进行研判、分类,并将信息传送至信息输出单元.信息输出单元负责舵机驱动、声光报警、无线发送数据等,它由舵机 驱动模块、声 光报警模块 和L o R a模块组成.其中:舵机驱动模块用于控制垃圾桶桶盖的打开/关闭过程;声光报警模块用于控制蜂鸣器和发光二极管(L i g h t e m i t t i n gD i o d e,L E D)的工作;L o R a模块负责传输垃圾桶内垃圾满溢、存在有害气体等状态信息以及垃圾桶的位置信息,并能通过无线网络将垃圾桶的各项参数传送至云平台,进行数据的分析与保存,以便提醒工作人员进行相应处理.智能垃 圾 桶 系 统 检 测 到 以 垃 圾 桶 为 中 心 的 c m半径内有停留时间超过s的行人时,会触发人体感应模块并将信号发送给主控模块,经过模/数(A/D)转换器转换,由舵机驱动模块自动开启桶盖;当行人离开后,舵机延时s后会自动关闭桶盖.随后,系统会判断桶内的垃圾量是否达到了所设定的阈值,若垃圾量已达阈值则系统会控制推杆压缩垃圾一次,若系统在压缩垃圾后判断的桶内垃圾量仍大于设定阈值,则系统的垃圾满溢检测模块处于垃圾满溢状态;若桶内垃圾产生的有害气体浓度超过了一定阈值,系统会触发声光报警.智能垃圾桶系统工作时,能够通过L o R a模块将垃圾桶内有害气体浓度、垃圾满溢和垃圾桶位置等信息发送至相关工作人员,并能将相关数据上传至服务器,进行保存.智能垃圾桶系统的功能设计流程如图所示.图智能垃圾桶系统的功能设计流程信息化技术成组技术与生产现代化 年第 卷第期 确定系统通信协议和硬件智能垃圾桶系统采用空间电信号传播通信协议,集成了L o R a技术的S X 模块,以实现无线通信.当系统检测到桶内垃圾满溢或者检测到有超过设定阈值的有害气体产生时,信息采集单元相应模块的发送端会将垃圾桶的位置、满溢状态和有害气体浓度等信息发送至S X 模块接收端.同时,系统能通过固定串口将数据传输给服务器端,从而实现信息的无线传输.S X 模块的透明传输(点对多)工作模式如图所示.图S X 模块的透明传输(点对多)工作模式考虑到智能垃圾桶系统对工作环境要求较低,但性价比要求高且应便于扩展,本文设计硬件时,采用欧洲 科 技 咨 询(S c i e n c e&T e c h n o l o g y C o n s u l t i n g,S T C)公司生产的一款高性能单片机S T C C ,作为智能垃圾桶系统的主控模块.它包括个含有 个字节的数据存储单元(R AM)、个I/O口、条指令和个全双工串行通信口.系统的人体感应模块采用抗干扰性强、性能稳定、可适应有光环境的MH B型人体红外测距传感器.系统的垃圾满溢检测模块采用具有近距离测距、盲区小、误测率低等优点的T C R T 光电开关(它能最大程度地降低不同材 质垃圾对检 测 灵 敏 度 的 不 良 影响).系统的有害气体检测模块采用抗干扰性强、成本较低的MQ 传感器.此外,室外部署设备时要求传输数据稳定,但往往会忽略数据的安全性.系统所用S X 模块是一款性能良好、功耗低、成本低、信号穿透性强、可远距离微功率传输的无线传输模 块,具 有 标 准 的线 全 双 工 同 步 串 行 外 设接口.确定系统开发环境本文以K e i lV i s i o n 作为智能垃圾桶系统的软件开发环境.它与人体感应模块、垃圾满溢检测模块、有害气体检测模块和L o R a模块等外部设备组成了智能垃圾桶系统.打开K e i lV i s i o n 系统开发环境后可发现,其上方为菜单栏和工具栏区,中间空白处为代码编辑区.菜单栏内有下列具体功能选项:E d i t对应于文本编辑和信息的快速查找;V i e w对应于视图界面的编辑;P r o j e c t对应于工程文件的新建、打开、编辑等.智能垃圾桶系统的开发环境界面如图所示.图智能垃圾桶系统的开发环境界面信息化技术G r o u pT e c h n o l o g y&P r o d u c t i o nM o d e r n i z a t i o nV o l ,N o ,设计系统的软件控制流程智能垃圾桶系统上电后,初始化各功能模块,人体感应模块开始工作.当人体感应模块检测到有人靠近要投放垃圾而发出模拟信号时,主控模块会将模拟信号放大,并通过A/D转换器转换为数字信号,使驱动电机开始工作,打开垃圾桶盖;随后,当人体感应模块检测到投放垃圾的人离开后,系统会合上垃圾桶盖.智能垃圾桶系统的各功能模块初始化后,垃圾满溢检测模块和有害气体检测模块分别开始判断垃圾是否满溢和有害气体浓度是否超过设定阈值,若是,则系统会将采集的信号上传至云平台.云平台会将收到的数据反馈到服务器端,以提醒相关工作人员进行处理.智能垃圾桶系统的软件控制流程如图所示.图智能垃圾桶系统的软件控制流程垃圾桶外部安装人体感应模块,实时检测行人与垃圾桶的距离,并将采集的模拟信号由A/D转换后传递给S T C C 主控模块,与设定的距离临界值(阈值)进行比对.当系统检测到垃圾桶周围行人到垃圾桶距离小于临界值(行人靠近,准备投放垃圾)时,控制电机工作,将垃圾桶盖打开;当检测到的周围行人距离大于临界值(行人离开,已完成垃圾投放)时,系统会自动合上垃圾桶盖.垃圾桶内安装的垃圾满溢检测模块(它包括超声波测距传感器)能够实时检测桶内垃圾的量且会及时将采集的模拟信号传递给主控模块.主控模块收到超声波测距传感器发送的模拟信号后,通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号并与设定的垃圾量临界值(阈值)进行比对,当垃圾满溢检测模块检测到桶内垃圾的量大于设定阈值(垃圾桶的垃圾满溢)时,系统会让装在垃圾桶顶部的推杆电机工作,通过推杆的物理挤压对垃圾进行压缩,扩充桶内空间.智能垃圾桶系统能够将垃圾满溢的垃圾桶序列号通过L o R a模块上传到云平台.云平台将收到的数据记录到数据库并进行分析,同时能将垃圾满溢的垃圾桶位置、序列号等基本信息下传至服务器端,供工作人员查看.在工作人员对垃圾桶内的垃圾回收后,系统会把清理次数上传至数据库,以便管理者及时了解相关人员的工作情况,并可通过分析得出各区域产生垃圾的情况,进行相应安排.系统测试 实物测试将调试成功的程序下载至硬件系统并运行,测试系统与各功能模块间是否能够正常通信、信号与信号之间是否存在干扰、程序逻辑是否准确,以衡量系统的可靠性和数据传输的实时性.将人体感应模信息化技术成组技术与生产现代化 年第 卷第期块、垃圾满溢检测模块、有害气体检测模块和L o R a模块的发送端连接到主控模块上,并将L o R a模块的接收端连接到P C端,打开P C端串口软件、后台数据库和服务器,进行测试.在检测到行人靠近垃圾桶并投放垃圾时,若系统能驱动舵机将垃圾桶的桶盖打开,则表示系统开启垃圾桶桶盖的测试成功.在垃圾桶内垃圾量超过所设阈值时,系统若能发出声光报警,并且串口助手能收到正确数据,则表示系统的垃圾满溢报警功能测试成功.系统收到“垃圾满溢”的数据界面如图所示.在垃圾桶产生的有害气体浓度超过所设阈值时,系统若发出声光报警,并且串口助手能收到正确数据,则表示系统的有害气体浓度超阈值报警功能测试成功.图系统收到“垃圾满溢”的数据界面 服务器测试连接好智能垃圾桶系统的所有线路,将人体感应模块、垃圾满溢检测模块、有害气体检测模块和L o R a模块的发送端连接到主控模块上,并将L o R a模块接收端连接到电脑上;在完成程序烧录后,系统上电,进入运行状态.当测试者靠近人体感应模块时,垃圾桶的桶盖会自动开启;当测试者离开后,垃圾桶桶盖会延缓一段时间,自动关闭.服务器测试时,对部署在某教学楼旁边的号垃圾桶进行垃圾投放,当桶内垃圾遮挡到垃圾满溢检测模块的传感器时,系统发出声光报警信号,同时服务器端界面接收到了有效数据;向垃圾桶桶内释放一定量的异味气体,在系统发出声光报警的同时,服务器端界面接收到了有效数据;在P C端查看M y S Q L数据库状态,发现其能够有效存储所接收数据.服务器测试中数据库成功接收数据的界面显示效果如图所示.图数据库成功接收数据的界面显示效果信息化技术G r o u pT e c h n o l o g y&P r o d u c t i o nM o d e r n i z a t i o nV o l ,N o ,结语本文将自动控制技术与物联网技术相结合,在传统垃圾桶的基础上设计了智能垃圾桶系统,使垃圾桶更加人性化、智能化,方便了生活垃圾的分类处理,既减少了垃圾处理的人力物力和资源浪费,又达到了美化环境和预防细菌传播的效果;在垃圾桶上安装一系列传感器和控制用舵机,解决了传统垃圾桶无法自动开/合盖、桶内垃圾处于满溢状态或存在有害气体浓度过高而得不到及时处理的问题.本文设计的智能垃圾桶系统测试效果良好,具有一定的推广使用价值.参考文献马俊秀我国城市生活垃圾分类回收法律制度研究D兰州:兰州理工大学陈铎,卢元烁,张幽彤语音控制智能垃圾桶设计J电子技术与软件工程,():孟心涛,赵富琦,唐瑞欣,等智能垃圾桶监控系统设计与实现J福建电脑,():潘仲勋,葛宇童,董京伟,等基于深度学习的智能垃圾桶设计J科技与创新,():杨伟兵,陈亚丽基于S T C 单片机的智能垃圾桶的设计J无线互联科技,():刘婷婷基于S T C单片机的红外测距传感器设计与实现J信息系统工程,():闫俊旭,侯超基于红外反射式光电传感器的智能循迹小车J山西电子技术,():,郑伟,孙旭飞,谢蓉基于L o R a技术的小区垃圾桶检测系统设计J单片机与嵌入式系统应用,():D e s i g no f I n t e l l i g e n tT r a s hC a nS y s t e mB a s e do nL o R aT e c h n o l o g yWANGL i j u a n,Z HANGJ i l i(I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n gC o l l e g e,Z h e n g z h o uS h e n g d aE c o n o m i ca n dT r a d eM a n a g e m e n tC o l l e g e,Z h e n g z h o u ,C h i n a;P h y s i c sa n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n gC o l l e g e,Z h e n g z h o uU n i v e r s i t yo fL i g h t I n d u s t r y,Z h e n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h er a t i o n a l c l a s s i f i c a t i o no fg a r b a g eb i n sh a sa l w a y sb e e nap a i np o i n t t h a tn e e d s t ob es o l v e db yt h es o c i e t y I ti sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t t or e s e a r c ha n dd e v e l o p i n t e l l i g e n t a n de f f i c i e n t g a r b a g eb i n s I nv i e wo f t h i sp r o b l e m,t h i sd e s i g nu s e st h eS T C C d e v e l o p m e n tb o a r dt ob u i l dt h eh a r d w a r ec i r c u i t,w h i c hc a nr e a l i z e t h em a i nd e t e c t i o nf u n c t i o n so fh u m a nb o d yi n f r a r e dd e t e c t i o n,g a r b a g eo v e r f l o w,g a so d o r,s o u n da n d l i g h ta l a r m L o R ac o mm u n i c a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt ou p l o a dt h ec o l l e c t e dd a t at ot h es e r v e r,w h i c h i s c o n v e n i e n t t om o n i t o r t h e r e a l t i m e s t a t u so f t h e t r a s hc a no n t h eP Ca n dg r e a t l y i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo f t h es t a f f K e yw o r d s:L o R a;i n t e l l i g e n t t r a s hc a n;S T C C ;s e n s o r深化全民阅读建设书香中国