基于Arduino控制器的校园智能垃圾桶设计

张 园 江民欢 阚辉昂 冒书梅 王学刚

（南京信息职业技术学院电子信息学院，江苏 南京 210046）

关键字：Arduino；智能垃圾桶；传感器；多功能

随着生活水平的提高，人们越来越重视周边的环境卫生，追求健康的生活环境。现今，对于垃圾的投放处理问题也越来越关注[1]，伴随着科技的进步，越来越多的智能化设备进入寻常百姓的点滴生活之中，让人们的生活越来越科技化。为给在校园内生活的同学们创造更好的学习生活环境，打造绿色环保智能校园，文章设计实现了智能校园分类多功能垃圾桶。虽然市场上在一些智能家居中已经有智能垃圾桶的存在，但是大多数针对室内环境，功能单一。户外的垃圾桶仍然以普通的垃圾桶为主，少数的户外智能垃圾桶不能实现垃圾分类，垃圾混装、垃圾不及时清理的现象比比皆是。为了弥补市场上垃圾桶应用上的缺陷，文章利用Arduino控制器件，增加垃圾桶自动垃圾分类、垃圾清理信息及时通知、短距离自动跟随等功能，以更好地提升户外环境，例如校园环境中垃圾桶使用的便利，针对户外环境开发智能垃圾桶有着广泛的市场前景和实际意义。

1 系统总体设计

校园智能垃圾桶的总体设计框图如图1所示。主要包含10个模块：Arduino控制板、超声波距离检测电路、电容式接近传感器、步进电机、红外传感器电路、LED点阵屏、语音电路、供电电路、GPS模块和GPRS模块。

可以实现垃圾分类，通过电容式接近传感器检测不同材料，控制步进电机，将不同材料的垃圾投入不同的桶中。当检测有人接近，自动打开垃圾桶盖子。并且能够跟随前方人员，实现自动跟随。并且可以检测垃圾是否装满，并通过网络发送垃圾需清理的指令，并提供垃圾桶的位置信息。还可以利用太阳能供电实现辅助的广告播放、夜晚亮灯、语言鼓励等功能。

图1 校园智能垃圾桶的总体设计框图

2 系统功能电路设计

2.1 Arduino 控制器模块

本系统以Microduino控制器模块为核心，以 Atmel ATmega328P，ATmega168PA 系列为核心的8位单片机开发核心板，它完全是开源的，使用了U型的27pin Microduino接口规范，拥有众多接口兼容的周边模块和传感器，编程环境好，方便上手，而且能凭借各种不同的传感器来实现对环境的监测，也可以通过控制声音、电机和其他各种装置来影响环境，其可拓展性好[2]。Arduino控制模块是整个设计系统的中枢，主要实现对各类模块的控制和调用。包括分析、综合电容式接近传感器检测不同材料的数据信息，控制步进电机，将不同材料的垃圾投入不同的桶中。以及检测热释电传感器数据，查看是否有人接近，自动打开垃圾桶盖子。并且控制实现自动跟随和检测垃圾是否装满，并通过网络发送垃圾需清理的指令，并提供垃圾桶的位置信息。此外还控制广告播放、夜晚亮灯、语言鼓励等辅助功能。

2.2 垃圾分类模块

考虑到使用环境主要在校园内，针对校园垃圾的不同材质，例如金属、玻璃、塑料，介电常数不同的原理，本系统采用电容式接近传感器和步进电机进行垃圾的分类，电容式接近这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳[3]。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。因此当传感器检测到金属时，电容改变，向Arduino控制模块输入低电平以控制电机的不同方向转动，从而进行垃圾的不同位置投入，进行垃圾分类。

2.3 人体感应模块

本设计采用HS-SR501热释电传感器进行人体感应，这是一种基于红外线技术的自动控制产品，灵敏度高，可靠性强，超小体积，超低电压工作模式[4]。其感应距离在3～7米之间。当人进入其感应范围，输出高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平。在校园智能垃圾桶系统设计中考虑到，如果有人体在热释电传感器感应范围活动，其输出将一直保持高电平，可以避免出现行人路过，垃圾桶也自行开启的现象。所以在设计时将热释电传感器模块安装在垃圾桶上方，以实现扔垃圾的人靠近时，进入为以垃圾桶为圆心的感应范围后，垃圾桶才自动开盖。

2.4 垃圾满溢控制模块

考虑到在现实生活中，经常会发生由于垃圾没有及时回收，造成垃圾桶中垃圾满溢，影响环境卫生，也会给扔垃圾的行人造成不便，不利于校园文明建设。因为本设计在垃圾桶内顶部装有超声波测距模块，以检测垃圾容量，当超声波模块采集的测量值小于预设阈值，说明垃圾量达到桶容积的80%，则将通过电机控制垃圾盖不可打开，防止后续不断扔入垃圾造成满溢。通过GPRS模块，利用网络数据传输，提醒校园后勤相关人员及时清理垃圾。避免垃圾不能及时清理， 滋生蚊虫。 同时利用GPS模块发送垃圾桶的实时位置，便于清理人员及时定位需要清理的垃圾桶，大大提高了垃圾的回收效率。

2.5 辅助显示模块

由于校园环境的局限，并没有太多的路灯照明系统，考虑到垃圾桶分布范围较广，因此本设计在垃圾桶上布置LED照明系统。夜晚时LED点亮，提示垃圾桶的位置，来弥补校园部分区域夜间照明不足带来的投递垃圾的不便，避免夜晚在校园活动的学生找不到垃圾桶而随手乱扔垃圾。在设计时，通过光敏电阻探测环境光线，只要环境光线低于阈值就开启LED灯。所有照明供电可以通过太阳能电池进行储能，以节约用电，绿色环保。此外本设计在垃圾桶外安装LED点阵屏，白天利用太阳能电池供电播放一些公益广告，增加公益宣传效果。在垃圾桶外还安装有红色LED指示灯，用来提示垃圾桶是否装满，如果垃圾桶装满，则红灯点亮，提示使用者。

2.6 语音播放功能

该智能垃圾桶设计时增加了语言播放功能，当每次有行人投放垃圾时，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。

2.7 自动跟随模块

考虑到在校园中，有学生可能会出现边走边吃赶时间的情况，本设计采用红外避障传感器，实现自动跟随功能。避免同学在校园中一边走一边吃瓜子等食物，沿途没有垃圾桶而随手乱扔。在垃圾桶底部安装轮子，通过电机控制转向，并且在垃圾桶上配置按键，按下即可启动自动跟随功能。

3 结语

本项目结合开源的Arduino控制器件和大量的传感器设计了校园智能垃圾桶，与普通垃圾桶相比，功能更完善，使用更方便。市场上的垃圾桶大多数局限于收集，没有考虑用户其他方面的需求。而该设备不仅实现垃圾的分类，还附带有语音鼓励、短距离自动跟随、垃圾装满自动提醒收集、桶外广告等功能，较好地满足了用户的需求，为用户使用带来便利，且使用传感器模块，成本较低。既与垃圾收集工作人员建立了高效合作关系，又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。