基于物联网的智能垃圾分类系统设计

刘 悦，罗相东

（广西师范大学 电子工程学院，广西 桂林 541004）

0 引 言

随着我国经济的发展，环境问题逐渐被人们重视，其中最为突出的就是垃圾分类处理问题。垃圾分类的好坏成为评判一个城市绿色发展的重要指标，以商场为例，商场环境问题与小区、地铁站等场所不同，具有一定的特殊性。一方面在于大型商场上百个商户聚集一处，产生的垃圾数量巨大；另一方面商场内商户经营范围极广，垃圾种类繁多[1]。这都为垃圾分类的执行落地造成了不小的困难，需要一种能够和传统分类方法结合的创新系统。

目前，市面上的垃圾分类装置只是表面上解决了垃圾分类问题，但呈现单一化、无亲和力等特点，且在一些商场内部，垃圾分类装置设置不明显、不合理，垃圾分类实施不规范，垃圾投放引导不到位导致垃圾清理不及时、人员随意丢弃垃圾，造成环境脏乱差。

本文设计的基于物联网的智能垃圾分类系统能够较大程度上解决以上问题，不仅能改善商场内部环境，还能引导大家正确投放垃圾。外围包覆的环绕式有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）显示器可以播放广告、动画以及引导画面，在带来额外收益的同时使得该系统更具亲和力和科技感；无接触式投放更安全，满足防控需要；传感器探头能够及时传递状态信息，减少垃圾存放久、清理不及时的问题[2]。

1 系统设计

该系统由三分类垃圾箱本体、STM32主控、物联网模块、定位模块、环绕式OLED显示屏、数据存储模块、电源模块、各路传感器以及舵机组成，如图1所示。三分类垃圾箱本体中，每个单分类垃圾筒配备有一个舵机、一个红外感应器以及一个重量传感器。其中，红外传感器用来检测上方是否有物体和下方桶内是否出现垃圾溢出；舵机负责控制垃圾筒筒盖的推拉闭合；重量传感器放置于垃圾筒筒底，负责监测垃圾筒重量信息和状态变化。

图1 系统设计

2 硬件设计

2.1 定位模块

商场内部，卫星信号会被严重影响，导致（Global Positioning System，GPS）或者北斗无法发射定位，所以主要采用由无线通信、基站定位以及惯导定位等多种技术集成的一套室内位置定位体系，从而实现垃圾分类装置在室内空间中的位置监控。采用超宽带（Ultra Wideband，UWB）定位模块，其室内定位原理和卫星定位原理类似，需要依靠4个已知坐标位置的基站进行定位，设备携带定位标签。通过定位模块，可以及时安排人员清理该位置的垃圾桶，实现精准定位，与此同时，配合红外感应传感器传递的数值大小预估所在位置的人流量，分流量设置广告投放[3]。

2.2 物联网模块

物联网模块嵌入在垃圾处理装置内部，能够连接到无线网络并进行接收和发送数据。此装置采用ZigBee模块进行通信，ZigBee是一个由很多无线数据传输模块组成的无线数据传输网络平台，每一个ZigBee模块都可以在一定的范围内进行相互通信，具有低能耗、低成本、快速、安全以及可靠的特点，应用模块电路如图2所示。

图2 ZigBee模块电路

2.3 数据存储模块

数据存储模块被广泛应用于通信、控制以及医疗等领域，可以收集并记录实验测试、系统运行等过程中产生的信号或者是数据流，再通过数据传输向用户提供原始数据。该系统通过外置数据存储模块可进行广告信息的存储与远程更替，并将垃圾桶应用次数和状态信息收集到数据库中，便于后期分析与研究。

2.4 环绕式OLED显示屏

环绕式OLED显示器是包覆在该系统垃圾处理装置本体上的柔性OLED屏幕，具有360°无死角展示的特点，通过物联网将所需播放的广告导入，可进行全天候的播放，收取广告盈利。与此同时，当用户扔垃圾时，屏幕亮起垃圾入桶画面，并显示所丢弃垃圾类型，给予规范引导。用户也可以通过登录云平台或扫描装置二维码进行广告位预定，待审核后可播放已选定广告内容[4]。该环绕式OLED显示屏给传统垃圾分类行业增加了科技感与额外盈利点，能够解决现阶段垃圾处理装置无亲和力且只是消耗品这一问题。

2.5 电源模块

该系统采用内外双置电源，内置可拆卸锂电池，能够正常使用15 d不充电，可应用于突发情况，STM32F103ZET6主控、传感器模块等的工作电压为3.3 V，可由主控直接供给。外置商场用电，直接供给环绕式OLED显示屏，减少设备因过热发生的短路现象。

3 软件设计

3.1 定点投放，广告互动

为了提高商场内垃圾分类装置的性价比，本装置采用垃圾桶外包覆环绕式OLED显示屏进行广告宣传，主要通过扫描垃圾处理装置本身的二维码实现广告的定点投放，可通过微信小程序实现远程操作。微信小程序是近几年特别流行且方便的一个功能，是快应用的一种，基于使用人群，不需下载安装，更加方便快捷，主要涉及的相关技术包括JavaScript、WXML以及WXSS等[5]。定点投放广告流程如图3所示，用户扫二维码进入微信小程序填写所需制作广告的信息，成功后即可在OLED屏上显示，增强美观性的同时增加了隐性广告收入，提高了性价比。

图3 用户定点投放广告流程

3.2 云端控制，精准定位

该装置中定位模块与传感器模块等终端节点负责将采集到的信息通过ZigBee协调器处理后显示在商场的控制终端。

为实现垃圾桶满溢后的及时清理，本系统采用UWB定位模块与ZigBee无线通信模块，为商场内的终端控制值班人员做到云端提醒，工作人员再根据UWB节点信息精准定位已满垃圾桶位置，提高工作效率。

此外，该系统能够通过ZigBee技术和串口通信向下传递正确的命令，实现对智能垃圾桶的调度。定位管理功能需校对垃圾分类装置的信息完整度，并对定点投放的垃圾桶信息进行编号、存储。系统根据垃圾分类装置满溢情况向控制终端发出警报，提示商场管理员进行处理，并在控制终端上显示出该垃圾分类装置的具体位置，再由工作人员前往处理，提高了工作效率，减少人员冗余[6]。

3.3 规范引导，安全可靠

为了解决商场流动人员垃圾分类不规范的问题，提出了如图4所示的垃圾分类引导流程，当红外感应检测到有人靠近时，智能垃圾桶会显示相关垃圾的分类信息，提醒商场流动人员扔往对应的桶。垃圾桶利用显示模块中可视化的OLED屏幕实现投掷引导功能，若垃圾桶未满，则OLED屏幕上显示垃圾分类提示信息和当前垃圾桶的使用方法；若垃圾桶已满，则OLED屏幕上显示附近其他同类垃圾桶的信息。此智能垃圾桶全程无接触，安全可靠，实用性高[7-11]。

图4 垃圾分类引导流程

4 结 论

基于物联网的智能垃圾分类系统能够更好地解决商场内垃圾处理不及时、复利现值不高的问题，利用本身优势，增加额外赢利点，引导大家合理规范投掷垃圾，实现了垃圾状态信息及位置信息的实时监测、用户自如投放广告等，具有高效率、高回收率、美观实用的特点，有一定的推广和应用价值。