智能垃圾桶设计与实现研究.pdf

信息与电脑2023年第10 期Information&Computer软件开发与应用智能垃圾桶设计与实现研究李容（西安科技大学高新学院信息与科技工程学院，陕西西安7 10 10 9）摘要：文章以智能垃圾桶为主要研究对象，基于当前环境保护事业的发展要求，结合电路设计原理对智能垃圾桶的系统电路进行设计分析，应用调查、资料分析、定性分析的方法，重点从智能垃圾桶的总体设计、硬件设计、软件设计情况进行分析，旨在研究一种更为智能化的垃圾桶，以满足日常生活的需求，以期为相应智能产品的研发设计提供经验借鉴。关键词：智能垃圾桶；智能系统；系统设计中图分类号：TP302.1Research on the Design and Implementation of Intelligent Garbage Bin文献标识码：A文章编号：10 0 3-97 6 7（2 0 2 3）10-10 3-0 3LI Rong(School of Information Technology and Engineering,Xian Kedagaoxin College,Xian Shaanxi 710109,China)Abstract:This paper takes the smart trash can as the main research object,based on the development requirements ofthe current environmental protection cause,and after designing and analyzing the system circuit of the smart trash can withthe combination of circuit design principles,it focuses on the overall design,hardware design and software design of the smarttrash can by using the methods of investigation,data analysis and qualitative analysis,aiming at studying a more intelligenttrash can to meet the needs of daily life,and then providing experience for the research and development of correspondingintelligent products.Keywords:intelligent trash bin;intelligent system;system design0引言随着智能化技术的不断发展，在现有垃圾分类工作应用的技术和原理基础上，应用智能垃圾桶进一步提升垃圾分类效果，能够避免使用者和垃圾桶产生直接接触，有效减少各类细菌的传播，以期为我国环境保护事业的发展和提升城市环境形象提供一定的技术研发思路。1智能垃圾桶的电路设计设计智能垃圾桶时，需要对不同种类的垃圾设置不同的指示灯。用户在投入垃圾后，不同颜色的指示灯亮起，能够对用户起到普及垃圾分类知识的作用。通过蓝牙和网络无线通信等形式，使用户能够在不熟悉的地方及时发现垃圾桶的具体位置，避免垃圾的随意丢弃，在收稿日期：2 0 2 3-0 3-10基金项目：陕西省教育厅项目“面向智慧校园的智能垃圾桶监管系统的研究与设计”（项目编号：2 1JK0779）。作者简介：李容（198 8 一），女，陕西西安人，本科，工程师。研究方向：自动化。加强环境保护的同时，能够为人们的生活提供极大便利。基于此，设计了智能垃圾桶，电路图如图1所示。需要考虑系统功能要求，设计人员设计了控制器、电源、下载电路、晶振电路以及复位电路5个部分。该系统的微控制器主要应用STM32F103C8T6，总线为32 位，速度为7 2 10 m/s，控制器工作电压为2.0 3.6 V。为保证12 V锂电池的供电安全，需要将其降压为5V，继而降压为3V，以保证给控制器系统供电。2智能垃圾桶设计和实际应用分析2.1智能垃圾桶的总体设计基于智能化技术的应用原理，设计了垃圾桶智能化系统，具体包括控制器、红外感应模块、红外检测模块、103信息与电脑软件开发与应用Information&ComputerWIFID-RTL8188uc.CNDD+VCCVCC5M5常开vcc6公共gnd第一s继电器VCC152公共vCC6常开gndS7第二继电器VCC1VCC红外2OUT探测3GND温度检测模块、蜂鸣器报警模块、蓝牙模块、电机驱动模块、液晶显示模块以及电源模块9个部分。控制器主要负责对各个具体模块的运行情况进行管理控制，能够保证系统的整体运行效果2 。红外感应模块主要负责感应人手是否对垃圾桶造成遮挡，在检测相应信息时，会自动启动弹开装置，避免人手和垃圾桶形成直接接触。红外检测模块主要检测垃圾桶周边的障碍物。温度检测模块主要检测垃圾桶的内部温度，避免因温度过高而导致细菌繁殖。如果垃圾桶内的温度超过垃圾桶规定的温度标准，则会触发报警模块。蓝牙模块、电机驱动模块、液晶显示模块以及电源模块能够构成一个整体，使智能垃圾桶和终端设备的App相连，为用户提供便利的服务。2.2硬件设计2.2.1硬件系统总体架构智能垃圾桶的硬件系统主要分为系统输入、系统输出、辅助电源3个部分，具体如图2 所示。系统输入阶段，确定以垃圾桶为圆心、半径为15cm的感应区域，分别应用红外传感器和金属传感器对桶内垃圾高度和垃圾类型进行感应判断。系统输出以舵机和蓝牙模块为主，设计两个舵机分别应用从系统输出的两条脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PW M）波来驱动，得到检测的垃圾信息后，将信息通过微控制单元（Micro2023年第10 期SVCC001D+3V33SDAO7SCLOGPI079GND1113GPIO0GPI021517GPI03DNC2119MOSIRaspberryMISOPi B+23SCLK25DNC27ID_SD29GPI0531GPI0633GPI01335GPI01937GPI02639GND图1智能垃圾桶最小系统电路图ControllerUnit，M CU）的方式输出至蓝牙，由蓝牙将信息传输给手机App。辅助电源由7.4V、2 2 0 0 m A h的2 0 C锂电池独立供电，外接太阳能电池板，可以将7.4V的直流电压分别降至5V和升至9 V，以满足智能垃圾桶各个模块独立供电的要求。电源供电V反馈5G网络传输后台云端STM32主控板不传输图2 智能垃圾桶硬件系统总体架构2.2.2硬件设备设计总体框架的设计主要依靠电机驱动垃圾桶进行移动。接受前进或后退的指令信息后，垃圾桶能够直接基于电机实现移动。在这一过程中，智能垃圾桶应用的电机为 1.2 98 N驱动 3。2.3软件设计2.3.1软件系统设计智能垃圾桶的软件设计是基于垃圾分类处理的相关要求，科学设计系统运行的程序流程。设计系统软件程D-GPIO14DNC16GPIO418GPI05DNC2220GPI0624CEO26CE128ID_SC30GND32GPI01234GND36GPI01638GP1020VCC40GPI021Audio025V4DNC6TxdOV8102RxdTXD12条码gnd扫描仪OUTVOC1NaLM386GND小区人员数据库对比1RXDVCc2S3系统发出指令垃圾分类桶盖开关供电摄像头模块语音模块104信息与电脑2023年第10 期Information&Computer序时，一般需要应用C语言编写。将编制的程序下载至单片机后，可以依据系统软件程序执行系统设备的各项基本功能。需要注意：PA.0口为红外光PT2262信号的输人口；PA.0为振动传感器信号的输入口；A为一个表示状态的位，在投人垃圾时置1。从热释红外传感器中断入口进入，初始化启动后，开启电磁铁、语音芯片、振动传感器以及红外光传感器。当系统程序检测垃圾桶容量已满时，会启动垃圾桶盖和语音段，延时一段时间后，由系统程序判断垃圾是否投人桶内，再次启动语音段，延时之后计数。在感应判断是否为丢垃圾后，会再次启动语音段，延时之后自动关闭桶盖。在整个流程被中断的情况下，系统则会返回初始程序。2.3.2蚁群算法设计当智能垃圾桶应用于小区环境时，可以借助智能垃圾桶的系统软件设计对小区人流量进行估计和计算4。例如，在设计智能垃圾桶的系统软件时，可以应用蚁群算法将小区内的每栋单元楼出入口和小区大门看作N个点位，从而形成一个有向图G-(N,A)。其中，N=1,2,n),A=(i,j)li,j M)，每个点位之间的距离确定为(ds)axa,可以得到一个基于所有路径长度的目标函数(w)=2di=1式中 w=(ii,i2,i),in+1=i。应用蚁群算法，以假设蚂蚁在相邻节点之间进行路径移动中产生的相应参数作为依据，并计算小区内的人流量，再借助相应的计算结果确定智能垃圾桶每日的垃圾承载量和垃圾处理频率，为加强对智能垃圾桶的管理和控制提供更便利的工具。2.3.3语音功能设计智能垃圾桶语音功能的设计是体现智能垃圾桶的人性化设计理念。具体而言，对于智能垃圾桶语音识别节点的布设，需要在设定垃圾桶位置的基础上，利用智能驱动程序计算集成识别距离，计算公式为H=T-,(,+1)+2m式中：H表示集成识别距离；t表示响应时间；表示集成误差；i表示预设覆盖区域；表示实测覆盖区域。按照控制程度初始化、输入控制识别指令、协议、软件开发与应用收音、数据处理整合、指令下达和执行以及语音识别结果输出的顺序，构建循环定向语音辩识程序，需要基于智能垃圾桶本身的定位区域设计红外感测和语音播报的双向程序5。例如，在系统程序设计中，可以应用KeiluVision5处理串口，搭配语音识别模块辨别用户投人的垃圾，之后通过语音播报告知。2.3.4视觉系统设计视觉系统主要包括获取棋盘格图像、角点检测、单摄像机标定以及双目立体视觉系统标定4个步骤。其中，标定双目立体视觉系统的过程中主要包括旋转矩阵和平移向量两个具体的标定项目，分别为0 m=-0.05642-0.003 66 和 T-255.529 64-1.531 673.21709。2.3.5定位和避障功能设计从垃圾桶的中心定位功能来看，应用Adaboost算法将垃圾桶的中心定位功能分为两个部分。一部分为离线训练垃圾桶分类器，在依据系统程序生成相应的训练工具后，防止智能垃圾桶在不同环境下拍照，截取样本图像的目标区域，将其进行归化后生成正负样本向量描述文件，配置相应的训练参数，则可以进行离线训练。另一部分为在线垃圾桶的检测，依据视觉处理库和相应的系统在线检测训练的智能垃圾桶。3结语(1)智能垃圾桶的设计和应用能够有效推动环境保护事业发展的有效措施，充分发挥了智能化技术在环境保护事业和智能家居研发中的应用优势，能够从加强环境保护的角度提升城市的文明形象，对促进城市和社会整体的发展具有重要意义。参考文献1孟心涛，赵富琦，唐瑞欣，等.智能垃圾桶监控系统设计与实现.福建电脑,2 0 2 2,38(8):10 5-10 7.2李旺旺，任晓莉.智能垃圾桶设计与实现.通信与信息技术,2 0 2 2(3):48-49.3于雯，王艳，张佳佳，等。多功能智能垃圾桶结构设计和3功能实现.工业仪表与自动化装置,2 0 2 2(1):117-12 0.(2)4贺连升，周扬理，于新畅，等.基于语音识别的智能垃圾桶设计与实现J.机电工程技术,2 0 2 2,51(1):12 2-12 5.5胡文帅，徐子晴，李秋燃，等.基于物联网的智能垃圾桶的设计与实现J.现代工业经济和信息化,2 0 2 0,10(10):35-37.105