城市“守望者”——一种智能垃圾桶的设计与实现

陶逸航，叶峥杰，郭展锋，范明明，崔峰

城市“守望者”
——一种智能垃圾桶的设计与实现

陶逸航，叶峥杰，郭展锋，范明明，崔峰

城市“守望者”是一款智能垃圾桶，其设计初衷是为了普及垃圾种类的知识，增强大众垃圾分类的意识，美化城市道路，提高垃圾清理及回收效率。本设计集成了大扭力舵机、GSM/GPRS模块、超声波模块以及语音模块，开发基于Arduino和Web的软硬件系统平台。主要实现了按钮强制分类、满溢短信提醒、智能感应路灯、语音互动播放、桶内异味监控5大功能，并突破了传统垃圾桶的局限性，不仅起到了改善垃圾分类投放的功能，而且还能优化垃圾回收后续机制。这些创新点为市政建设提供了一个有效的解决方案，成为环保意义上的城市“守望者”。

环保；智能垃圾桶；按钮分类；满溢提醒；智能路灯；语音播放；异味监控

1 引言

长期以来，由于缺乏垃圾分类回收系统，我国处理城市垃圾的方式都是混合收集、运输、笼统填埋或堆积。这不仅严重污染了环境，而且还损失了很多可回收的资源；再者，公民对于垃圾分类投放的意识也相对薄弱，这些都是当下城市垃圾分类及回收过程中存在的问题。基于此，本作品打破原来垃圾“随意扔”的模式，提出了一种全新的分类模式，提供了一种面向智慧城市、智能垃圾桶的设计方案及其实现方法。

2 作品功能设计与实现

2.1 按钮分类功能

生活中，开口式垃圾桶让人们有随意扔垃圾的可能。对此，本作品立足于全封闭式设计。用户必须通过按下标有垃圾材质名称的相应按钮才能打开垃圾桶入口。在这种半强制模式下潜移默化地改变人们的垃圾分类意识。

2.2 满溢提醒功能

垃圾桶内顶部装有超声波测距模块以监测各个桶内的垃圾量，当桶内垃圾量达到桶容积的80%时，将通过GSM/ GPRS信息模块[1]（以下将简称为GSM/ GPRS模块）发送短信至工作人员手机，要求及时清理避免垃圾溢出，同时也大大提高了回收效率。

2.3 智能路灯功能

由于垃圾桶分布范围较广，在桶身布置LED照明系统后，可弥补部分地区夜间照明不足带来的行人安全隐患。桶身外部装有热释电红外传感器，只当有人经过且光线不足时打开LED灯，节约了电能，也方便了行人。

2.4 语音播放功能

当每次按下分类按钮后，桶内语音模块会随机播放一段优美的音乐或是一段祝福的话回馈给用户，给人以惊喜，让人们更乐于投放垃圾入桶，从而减少乱扔垃圾的现象。

2.5 异味监控功能

用户靠近传统垃圾桶时常常会闻到阵阵恶臭，为解决这一问题，本产品采用封闭式箱体，与此同时在箱体内装有气体传感器，实时监控箱内有害气体并通过桶底风扇保持箱体内空气始终流通不至于垃圾腐臭。

3 工作原理设计

本作品由按钮分类、满溢提醒、智能路灯、语音播放、异味监控5大模块组成。整体设计原理示意图如图1所示。

图1 核心的控制体系示意图

3.1 按钮分类模块

按钮分类模块具体实现步骤如下。

1）若手持不可回收垃圾，当按下不可回收按钮时，微控制器处理信号后，向不可回收桶的舵机发送指令，令其旋转，转轴上固定的桶盖打开，投入垃圾。

2）若手持金属等可回收垃圾，按下相应的按钮，微控制器处理信号后，带动舵机上连接的导轨一起转动至存放相应材质的垃圾桶上方，投入垃圾。

3.2 满溢提醒模块

满溢提醒模块具体实现步骤如下。

1）当用户空闲时每隔一定周期采集一次当前桶内垃圾的高度并与80%设计容量值进行比较。

2）当超声波模块的测量值首次小于设定值时，发送信号至微处理器。

3）微处理器通过编程实现AT指令控制，GSM/GPRS模块将已编辑的短信发送至垃圾回收人员的手机。

3.3 智能路灯模块

智能路灯模块具体实现步骤如下。

1）热释电红外传感器将采集到的信号经过A/D转换后，持续发送给微控制器。

2）在微控制器中预设一个固定值为阈值。

3）当信号达到阈值后控制器发送指令缓慢点亮桶身的LED灯，当路人离开后慢慢熄灭。

3.4 语音播放模块

语音播放模块具体实现步骤如下。

1）用户按下交互按钮后，微控制器向MP3-TF解码器发送信号。

2）MP3-TF解码器随机播放内存卡中语音。若垃圾桶安装在公园、公交站等场所时，MP3-TF解码器可以定时播放随机音乐。

3.5 异味监控模块

异味监控模块具体实现步骤如下。

1）气体传感器实时测量垃圾桶内硫化氢气体浓度，若检测到气体浓度大于所设定的阈值，则发信号给微控制器。

2）微控制器接受信号后控制风扇排风，等气体浓度小于一定值后停止排风。

4 创新点分析

本作品包含如下创新点。

1)采用垃圾材质分类按钮开盖，培养了用户的分类意识。

2)改善了传统垃圾桶满溢后没有及时清理或者还未满就需要多次清理的低效率操作。

3）创新了用户使用后的反馈功能。

4）创新了垃圾桶夜间照明功能。

5 结束语

在城市飞速发展的阶段，城市环境建设就像城市的名片一样，代表了一个城市的面貌，显得尤为重要。本产品改变了传统的扔垃圾方式，利用垃圾材质分类按钮开盖给用户灌输垃圾分类思想，间接减轻了垃圾混丢、垃圾遍地的现象。又创新性地突破了传统垃圾桶功能的局限性，基于满溢提醒、智能路灯、语音回馈等功能模块，与工作人员建立了高效合作关系，与用户建立了良好的互动和情感关联，在很大程度上满足了目标市场的需求，因此本作品拥有广阔的市场前景。

[1]韩斌杰，杜新颜，张建斌.GSM原理及其网络优[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]陈吕洲.Arduino程序设计基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[3]宋楠，韩广义.Arduino开发从零开始学——学电子的都玩这个[M].北京：清华大学出版社，2014.

City Watcher—Design and Implementation of an Intelligent Garbage Can

TAO Yi-hang, YE Zheng-jie, GUO Zhan-feng, FAN Ming-ming , CUI Feng

（西北工业大学）

(College of Northwestern Polytechnical University)

The city watcher is a smart garbage can, it is designed to spread knowledge of garbage types, enhance public awareness of garbage classif i cation, beautify the city roads, improve the eff i ciency of waste-collection and recycling. This work integrates the high torque servo ultrasonic module, GSM/GPRS module, Ultrasonic modules and Voice module, develops hardware and software system platforms based on the Arduino and Web. It mainly achieves fi ve functions such as button classif i cation, SMS alerting after overf l owing, induction lamps, voice interactive play and bucket odor monitoring, breaking through the limitations of traditional trash. It not only improvs the function of garbage classif i cation, but also optimizes the follow-up mechanisms of garbage collection. These innovations will provide an effective solution for municipal construction and make it an environmental city watcher.

environmental protection; intelligent garbage can; button classification; overflow reminding; smart streetlights; voice broadcasting; odor controlling