基于物联网的智能垃圾桶

（三峡大学 计算机与信息学院，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

当下，互联网、物联网、数据信息处理技术的理论研究逐渐成熟，通过传感器收集有用的数据信息，将数据发送到云端进行存储，并与先进的技术相结合进行分析和处理，以获得准确的问题处理方法已经成熟并被广泛使用，其为人们的生活提供了准确，高效的操作指南。然而城市垃圾箱中运用到物联网技术的却很少。基于此，本文提出一种基于IoT的智能互联的垃圾桶（SGS）系统，并通过物联网与其他SGS以及终端联系起来。

1 基于物联网的智能垃圾桶

本文设计的智能垃圾桶监控系统基于物联网平台。垃圾桶内的感知器通过WiFi将数据上传到云平台，然后云平台会对数据进行处理并推送至移动终端。卫生部门通过服务器获取垃圾箱信息，并及时回收垃圾。系统功能结构如图1所示。

图1 组成结构及功能

2 功能设计

2.1 终端设计

智能垃圾桶终端设计如图2所示。

图2 终端运行流程示意

智能垃圾桶终端功能模块介绍如下：

（1）超声波测距模块。首先开发板会发出高电平信号，接收到信号的传感器会发出超声波，此时接收端口变为高，同时计时器计时来计算距离。超声波遇到了障碍物后，再原路反回被接收端接受到，此时接收端口变为低。最后利用之前高低电平记录的时间来计算距离。

（2）气体传感模块。气体传感器采用二氧化锡作为检测环境气体的气敏材料，原因是二氧化锡的电导率在干净的空气中较低。传感器所处环境中存在有害气体时，传感器的电导率会根据有害气体浓度增大而增大。

（3）温湿度传感模块。本文选用DHT11传感器。DHT11是一种二合一传感器，可以将温度和湿度复合测得的数据自校准，然后通过数字信号输出并与高性能的8位单片机相连，其使用单总线和单片机进行双向串行数据传输信号，稳定性好。

（4）WiFi数据传输模块。本设计中数据传输由IoT芯片进行控制。IoT芯片可以在多种模式下工作，即：AP模式，站模式和混合模式。站点模式主要是去连接其他的路由。站模式相当于一个路由器，只能让其他的设备连接自身，而混合模式就是将两者综合使用。

2.2 云端

云端主要负责数据的分析和存储，其通过OneNET平台进行收发信息。

2.3 移动端

移动端主要通过微信小程序实现系统的各种模块功能。微信小程序从OneNET获取垃圾桶上传的数据，并将数据展示出来。在设计移动端时需要MINA框架的UI设计、OneNET以及微信官方和地图供应商提供的API接口。其中，数据都存储在OneNET中，终端通过OneNET将信息传到云端，云端进行分析以及储存，并规划好最优路线，然后通知工作人员及时处理。本文设计的微信小程序界面如图3所示。

图3 微信小程序界面

3 基于RFID的垃圾收集系统与基于IoT的智能互联的垃圾桶（SGS）系统

3.1 基于RFID的垃圾桶面临的问题

在基于RFID的垃圾收集系统中，RFID收集箱包括通信模块、RFID标签模块、自动垃圾入口以及用于测量容器重量的秤功能。使用该系统时，清洁工不知道哪些垃圾桶有垃圾，而垃圾桶需要及时处理，因此有必需清洁每个垃圾桶。这样通常会增加无用的工作量，并浪费人力和物力；而且，在人们投放垃圾时，垃圾桶对于桶内的垃圾信息的传输常常会产生一定时延，导致无法及时对垃圾桶内的垃圾进行清理。针对这些问题，本文提出了一种基于IoT的SGS系统。

3.2 架构概述

SGS的体系结构如图4所示。由图4可知，安装在公寓楼和个人住宅附近的SGB彼此交换信息，将信息发送到服务器。结构上讲，SGS系统分为两个域：管理域和服务域。

图4 SGS架构示意图

3.2.1 管理域

在管理域中，需要收集已注册的居民信息、付款信息和状态信息，为此，使用了智能垃圾维护服务器、用户管理服务器和支付管理服务器三台服务器。用户管理服务器负责管理食物垃圾排放信息和个人信息。支付管理服务器根据居民卡公司的食物垃圾重量执行付款过程。当居民使用RFID卡排放食物垃圾时，将其在RFID卡上注册的个人卡信息传输到支付管理服务器，然后支付管理服务器请求公司处理付款。因此，如果在分析状态信息时在SGB中检测到故障，则会派遣管理员检查问题。并且智能垃圾维护服务器会引导居民使用附近的SGB。

3.2.2 服务域

服务域是居民丢弃垃圾的地方。当居民的RFID卡触摸SGB的RFID读取器时，SGB会对居民进行身份验证并打开盖子。居民将食物垃圾扔掉，由SGB测量重量。SGB将收集的有关居民及食物垃圾重量的信息发送到管理域。根据收集到的信息，垃圾收集器从SGB收集食物垃圾。图2表明位于服务域中的SGB的网络拓扑中。因此，即使同一居民使用不同的垃圾箱，也可以保证服务的连续性。此外，为了网络可靠性，如果HSGB中发生通信问题，则会将标头权限委派给同一区域内最合适的SGB。

3.3 系统工作过程

综上所述，本文提出的系统使用新的排放过程来最小化由支付和数据传输引起的延迟。在传统基于RFID的垃圾收集系统中，RFID卡需两次接触到垃圾箱。第一次接触用于居民身份验证，第二次接触用于付款。因为在付款之前需要在垃圾箱和服务器之间进行数据传输。在本文系统中，通过将RFID卡与SGB接触一次来进行食物垃圾处理和支付过程，减少了过程延迟。在居民身份验证和称重之后，RFID卡的余额将服务器接收到的付款数据和食物垃圾的当前重量显示在SGB的LCD屏上，排放过程结束。本文系统工作流程如图5所示。

图5 系统工作流程

4 软件设计

本文系统的软件设计主要包括微信小程序和开发板的Arduino程序。其中Arduino程序包含超声波测距模块、气体传感模块、温湿度传感模块、WiFi数据传输模块的相关程序等。

5 结 语

本文提出一种基于IoT的智能互联的垃圾桶（SGS）系统，并完成了系统的软硬件设计。硬件部分包括数据采集端的传感器和作为核心控制的开发板；软件部分有展示控制的微信小程序和开发板的Arduino程序。实验结果表明，与传统基于RFID的垃圾收集系统相比，本文系统更加智能，其通过云端、终端、PC或手机端控制垃圾桶，垃圾桶本身可以感知自己目前的容量情况，再向上一级反映，使垃圾桶的清理更加便捷，节省了人力、物力。