基于APP监控的太阳能智能垃圾桶.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 25 日 作者简介：史添添（1990），女，辽宁盘锦人，汉族，毕业于大连交通大学交通信息工程及控制专业，工学硕士，讲师，现就职于辽宁理工学院，主要从事电路，数字电子技术等课程的教授、建设和研究。-106-基于 APP 监控的太阳能智能垃圾桶 史添添 王志祺 辽宁理工学院，辽宁 锦州 121010 摘要：摘要：为了有效提高垃圾桶的智能化管理水平，改善垃圾分类的不理想和垃圾桶难以监管的现状，提高其维护效率，本项目拟采用智能家居的管理理念，开发一套基于 APP 监控的太阳能智能垃圾桶。本文所设计的垃圾桶由监控 APP、太阳能供电系统和带有 WiFi 模块的智能垃圾桶三部分组成。智能垃圾桶能够实现自动翻盖、固液分离、满溢报警的功能，其主控芯片采用 STC89C52RC 单片机，利用串口连接 ESP8266 WiFi 模块，通过无线热点模式与监控 APP 进行数据交互，不仅实现了对智能垃圾桶的实时监控、管理的目的，同时也提高了 WiFi 的覆盖范围。关键词：关键词：智能垃圾桶；WiFi；APP；单片机 中图分类号：中图分类号：TP216 0 引言 随着我国经济的飞速发展，中国城市垃圾种类和产量日益增多，为保护我们的生态环境，发展绿色生活方式，垃圾的承装者“垃圾桶”的变革势在必行。传统的垃圾桶以金属或塑胶制为主，多数垃圾桶带有桶盖用来防止垃圾的异味四散，用时需要用手掀开，由于垃圾的特殊属性，多数使用者不想用手触碰垃圾桶，导致关盖不及时；也因为其不够智能，当垃圾桶满溢时，无法及时将状态通知给环卫人员，导致清理滞后，不仅造成环境污染而且导致环卫人员工作效率低、工作强度大。面对如此不智能的、粗陋的、难以监管的现状，实现对垃圾桶的智能监测管理是一项十分必要和重要的工作，而且随着我国智慧城市的联网系统的大力发展，借助物物互联的监控系统，结合其覆盖范围广的优势，一套与其能进行实时通信的基于 APP 监控的太阳能智能垃圾桶应运而生。1 系统总体架构 本系统是由智能垃圾桶、监控 APP 和太阳能电池板三部分组成。智能垃圾桶包括桶体设计和功能设计，其中桶体设计即智能垃圾桶的机械结构，为最大效率利用智能垃圾桶，桶内设计有压缩功能，利用电动机带动机械撵棍将固体垃圾进行压缩，利用隔离网实现固液分离；智能垃圾桶的功能设计包括单片机最小系统模块、电动机驱动模块、红外检测模块、满溢检测模块和 WiFi 通信模块。所设计的监控 APP 是基于 Android6.0 及以上操作系统进行的开发，能满足大多数使用者的需求，它能够实现与智能垃圾桶进行WiFi 连接，在有网络情况下能实现与服务器进行数据交互的功能。太阳能电池板由太阳能电池阵列、太阳能控制系统和蓄电池构成，利用太阳能电池和蓄电池构成双重保障的同时有效的降低了能源的消耗。其整体构架如图 1 所示。图 1 系统总体结构 具体的工作流程是：在太阳能充电控制器的作用下，利用太阳能电池板给蓄电池进行充电作为智能垃圾桶的供电系统，智能垃圾桶利用红外检测模块和电动机驱动模块实现人体检测完成垃圾桶自动翻盖功能；利用垃圾桶的机械结构将桶内垃圾进行压缩、固液分离，再利用超声波的高度检测模块实现对垃圾桶满溢的检测，当检测到垃圾桶已满时对监控 APP 和智WiFi模块MCU太阳能电池板RS-232蓄电池基于APP监控的太阳能智能垃圾桶串行通信口串行通信口WiFiWiFi-DirectDirect监控APP智能垃圾桶电动机模块满溢检测模块红外检测模块服务器太阳能充电控制器中国科技期刊数据库 工业 A-107-慧城市联网服务器进行信息传递，环卫工人接收到信号后，及时前往报警垃圾桶处进行清理。为了有效提高工作人员效率，监控 APP 还具有报修任务领取功能，当智能垃圾桶出现故障，环卫工人向值班的维修人员手机 APP 派发维修任务，维修员认领任务并前往设备故障处，处理故障，维修结束后，通过手机上传维修完成凭证向维护管理系统反馈设备修复情况，任务结束。2 智能垃圾桶设计 本设计的智能垃圾桶应满足自动翻盖、压缩、固液分离和满溢报警等功能，因此从实现以上几个功能模块进行设计，具体介绍如下。2.1 机械结构设计 智能垃圾桶的机械设计，包括垃圾桶的主体，为了便于移动清理，垃圾桶主体的底端安装有万向轮；为了防止气味飘散垃圾桶主体的顶端转动连接有桶盖，桶盖的顶端用于固定连接太阳能板；为了实现压缩、固液分离功能，垃圾桶主体的内部竖向固定有隔板，隔板的左壁与垃圾桶主体内壁之间转动连接有第一和第二破碎辊，在内部电机的带动下实现压缩，内部下方装有过塞板，进而实现固液分离。其外形结构如图 2（a）所示，内部机械结构如图 2（b），图中标号含义，1 垃圾桶主体；2 万向轮；3 桶盖；4 太阳能板；5 隔板；6 第一破碎辊；7 第二破碎辊；8 从动齿轮；9 主动齿轮；10 电机；11 滤网板；12 碎料进口；13 杀菌灯；14 出水口；15 转板；16 磁铁；17 铁块。（a）外形结构 （b）内部结构 图 2 智能垃圾桶机械结构 2.2 主控芯片 MCU 作为单片机的核心控件，应便于开发、满足功能需求。因此本设计综合成本等因素考虑，采用开发简单易于操作的 STC89C52RC 芯片作为主控芯片，它有 32 个 I/O 口资源满足本设计需求，且具有大容量、高频率和低功耗的特点1。其最小系统电路由晶振电路、复位电路、电源电路三部分组成。其最小系统与单片机的连接电路如图 3（a）所示。2.3 WiFi 接口电路设计 为保证城市的有序运行，智慧城市的发展正在逐步实现，为便于工作人员查询城市垃圾桶运行参数，本设计的 WiFi 模块既要能实现与智慧城市的联网系统进行无线通信，又要完成与手机 APP 之间的信息交互。其中，与智慧城市联网系统之间的通信采用WiFi-Direct 模式，与 APP 之间的通信采用无线热点的模式，鉴于智能垃圾桶所处环境，成本等因素，本设计采用工业级 WiFi 模块ESP8266。它的最大特点是易操作、高性能，它集成了 WiFi 功能和 TCP/IP 协议栈2，并可以通过串口与主控制器进行通信，有三种工作模式分别是 AP 模式、Station 模式和 AP+STA模式3，可在三种模式中进行切换，既可以当做热点用于接收数据也可以作为设备上传数据。ESP8266 与单片机接口电路如图 3（b）所示。2.4 红外检测电路设计 本设计的智能垃圾桶能够实现自动翻盖功能，当有人靠近时要能有效的检测到，通过对比本设计采用人体红外感应模块 HC-SR501，它具有高灵敏度、可调节延时时间和可靠性强等优势4，本设计利用其可重复触发的方式，当检测到有人靠近时，输出高电平，单片机控制电机驱动盖打开；当人离开时延时 5s后，输出低电平，电机控制盖关闭。红外检测模块与单片机接口电路如图 3（c）所示。2.5 满溢检测电路设计 本设计的智能垃圾桶能够实现满溢检测报警功能，试验发现因垃圾种类不同单纯的满溢检测相对来说较难，但是本设计中垃圾桶具有压缩功能，因此可将泡沫、纸壳等虚体积的物品进行压缩来处理，之后在对垃圾桶满溢进行检测，这样达到的效果相对来说较好。因此本设计采用高度检测的方式，利用超声波模块 HC-SR04 装于智能垃圾桶顶部，利用其距离检测原理来判断目标物和检测物块之间的距离，此模块具有 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达 3mm5，体积小功耗低电路连接简单等优势。满溢检测模块与单片机接口电路如图 3（d）所示。中国科技期刊数据库 工业 A-108-X1X2P10 VCCP11 P00P12 P01P13 P02P14 P03P15 P04P16 P05P17 P06RESET P07RXD/P30 EA/VPTXD/P31 ALE/PINT0/P32 PSEN INT1/P33 P20T0/P34 P21T1/P35 P22WR/P36 P23RD/P37 P24X2 P25X1 P26GND P27STC89C52RC123456789101112131415161718204039383736353433323130292827262524232221VccGNDX1X2RXTX(a)复位电路(a)晶振电路(d)满溢检测电路(c)红外检测电路(b)WiFi模式选择电路RA BC+3.3VRGND VccRST(b)WiFi通信接口电路GNDVCC3.3JPD0JPD2JPD1 GNDUART_RXDUART_TXDUART_CTSUART_RTS RESETMODE_SEl2MODE_SEl1MODE_SEl0WLAN_ACTIVITYCARF_PEADY GNDGNDGNDNC NC NC NC NC TXRXGNDGND GND+3.3VRRRABCVCCTrigEchoGND+5VP26P27P26P27VCCD0GND+3.3V+5V1uF10KRST22pF22pF1uF 图 3 硬件电路连接设计 3 智能垃圾桶供电设计 本设计考虑单片机模块供电电压为 5V、电动机模块供电电压为 12V、传感器模块供电电压为 5V 以及通信模块供电电压为 5V 等的用电需求，采用 70W18V 太阳能电池板给 12V 蓄电池进行供电，利用可再生资源减少能源浪费。其设计框图如图 4 所示，其中防反冲二极管是避免太阳能电池阵列不发电或出现故障时，蓄电池组通过太阳能电池阵列放电；DC-DC 变换器是在光照不足、太阳能电池阵列无法正常工作时，需通过 DC-DC 变换器升压后再对负载供电和储能6。蓄电池组作用是储能，蓄电池组在太阳能不供电时开始对负载供电，以保证电源持续稳定工作；充放电控制器是保护蓄电池，防止蓄电池过分地充电和放电，由于多数模块所需驱动电压在 5V 左右，因此采用一个降压稳压模块，用于保持蓄电池输出电压恒定，通过资料查找和对比本设计最终采用 AMS1117-5.0 稳压芯片，它内部集成过热保护和限流电路，而且精度高是电池供电的最佳选择7。太阳能电池阵列DC-DC变换器充放电控制器 蓄电池12V-5V降压稳压模块 图 4 太阳能发电框图 4 监控 APP 设计 本设计的监控 APP 是基于 Android6.0 及以上进行开发的，满足大多数使用者的需求，采用 C/S 架构模式，结合 Java 语言，利用 Android studio 开发软件对各个功能模块进行设计开发。所开发的 APP，充分考虑使用者的特性，界面友好易操作，可适用安装于不同屏幕大小的 Android 手机，作为太阳能供电的智能垃圾桶的监控 APP，应具有以下功能：注册登录模块：注册登录模块应具有身份识别的功能，本设计的目标是便于环卫人员和维护人员对智能垃圾桶的参数进行实时掌握，进而分析完善，实现对智能垃圾桶的及时清理和维护。因此所设计的注册和登录模块必须具有身份识别的功能，确保“一人一码”的注册形式，将注册工号和姓名进行绑定，当注册完毕，登录为环卫工人时自动跳转到参数获取模块；当登录为维护人员时跳转到故障维修模块，有效的对使用者进行区分，便于操作。参数获取模块：参数获取模块便于环卫工人对于智能垃圾桶进行实时监测，通过下拉列表可选择管辖范围内的不同垃圾桶，获取垃圾桶的状态信息包括太阳能供电时的电池参数、垃圾桶的是否满溢的状态参数等，界面如图 5 所示。故障维修模块：故障维修模块便于维护人员领取维修任务，上传维修节点，这样可有效的规避中间环节，服务器后台可实时地进行监控，有效的提高了维护效率。图 5 APP 界面展示 5 结论 本设计的基于 APP 监控的太阳能智能垃圾桶，具有固液分离、自动开盖、满溢报警等功能，满足现在大多数使用者的需求，利用太阳能供电也有效的推动了绿色生活方式。而且为了提高清理和维护效率，设计一款 APP 对其进行实时监控，能够获取所需数据，功能基本达到预期目标。本系统的不足之处是对两个智能垃圾桶进行的模拟探究，而对于范围较大的区域，垃圾桶数量较多情况，因未接入智慧城市服务器，因此在硬件通信方面设计中还不够完善，但作为中国科技期刊数据库 工业 A-109-环卫公司、各高校学生基础性研究具有一定的参考价值。参考文献 1周鹏.基于 STC89C52 单片机的温度检测系统设计J.现代电子技术,2012,35(22).2龙毓亮,史添添.基于 APP 监控的 UPS 电池管理系统的实现J.电子制作,2021(3).3刘振.基于 STM32 智能家居的无线网关设计与实现D.杭州:浙江理工大学,2023.4吕杨,安厚儒,李蓓茹,等.基于 STM32F103C8T6 的智能车载安全系统设计J.传感器与微系统,2022(009):041.5杜永博,王欣伟,石航.四旋翼自主飞行器J.电脑迷:数码生活,2013(005):000.6张婷婷.无 DC-DC 变换器的稳压均衡电路J.电力电容器与无功补偿,2023,44(2):117-123.7 鄢圣华,徐风雷.教学电梯超重检测系统的设计与实现J.湖北理工学院学报,2019,35(6):7-10.基金项目：辽宁省教育厅 2021 年度科学研究面上项目，基于 APP 监控的太阳能智能垃圾桶(LJKZ1377)。