基于WiFi的新型智能垃圾桶设计

2018-12-10陈龙凌利钟学洋

软件导刊 2018年9期

陈龙　凌利　钟学洋

摘要随着社会的高速发展，普通垃圾桶在设计上已经很难满足现代人的需求，有必要对传统垃圾桶进行升级，以满足人们日益增长的物质生活需求。使用51单片机、红外感应系统、无线WiFi算法等设计一种多功能新型智能垃圾桶，在提升垃圾桶利用率的同时，因其在城市中道路的普及率，加入WiFi等功能，实现城区WiFi全覆盖、垃圾溢满及时清理等一系列功能。通过对多功能新型智能垃圾桶的分析，发现其能有效提升城市垃圾清理效率与该区域WiFi覆盖率。

关键词智能垃圾桶；WiFi；太阳能；智能设备；51单片机

DOIDOI：10.11907/rjdk.181155

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）009017104

英文标题The Design of New Intelligent Multifunctional Trash Bin Based on WiFi

——副标题

英文作者CHEN Long， LIN Li， ZHONG Xueyang，YANG Huayang

英文作者单位（Informatics Division of City College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430083， China）

英文摘要Abstract：Conventional trash bins are now hard to satisfy peoples′ demands in the modern society and they need to be refined. Based on 51 single chip， infrared sensor system and optimized WiFi algorithms， a new kind of intelligent trash bin is designed to improve the utilization. Embedded with new features of WiFi， trash cleaning，etc， the new trash bin can be deployed in most city roads， and most WiFicovered downtown area. Analysis of the new trash bin is provided to prove the advantage in improving cleaning efficiency.

英文关键词Key Words：intelligent trash bin； WiFi； solar power； smart devices； micro control systems 51 series

0引言

社会高速发展的时代，在物质生活逐步提高，人们在日常生活中无法避免与垃圾桶接触。由于我国露天污染严重，需要处理垃圾的处理力度大[1]，以及所需人力大等，多功能多用途垃圾桶从结构与功能设计，目前我国城市生活垃圾成分复杂，含易腐外观、恶臭气味、难分类回收等问题，垃圾桶的设计除了需要解决上述问题外，还需智能WiFi，智能翻盖，对有机物、煤灰、泥沙、塑料、橡胶、玻璃、纸类语音提示等方面进行设计，多功能多用途垃圾桶不仅能满足收集垃圾的功能，而且设计美观，色彩能与周围环境相和谐，成为环境的重要组成部分。

在研究了数种关于智能垃圾桶的相關文献以及成品后[2]，现阶段的智能垃圾桶在技术上仍有较大的提升空间，在外观设计上也可以加以改进，智能垃圾桶不应该以显示屏及触摸操作等为分界，更应该考虑垃圾桶的实用性。为此提出改进的多功能多用途垃圾桶，不仅注重用户的交互体验，也注重提升城市垃圾清理的高效性，从根据垃圾数据进行合理安排清理路线，到智能化的垃圾分类提醒，以及除臭、温度警报、自动开合桶盖等，再到提供WiFi连接，附近垃圾桶定位等功能，提升垃圾桶的实用性，远离连WiFi难，寻找垃圾桶难等问题，使智能垃圾桶的功能具有一定实用性。

在当今物质生活水平逐步提高、社会高速发展的时代，人们在日常生活中不可避免地要与一些看似不起眼但又不可或缺的特殊物品打交道，如公共场所垃圾桶。但是，目前我国城市生活垃圾的成分复杂，存在易腐外观、恶臭气味、难分类回收等问题，处理垃圾需要花费很大的人力、物力和财力。为解决上述问题，从垃圾桶的结构和功能出发，设计一款多功能、多用途垃圾桶，同时围绕智能WiFi、智能翻盖，对有机物、煤灰、泥沙、塑料、橡胶、玻璃、纸类等分类语音提示进行设计，力求不仅能满足垃圾收集功能，而且设计美观，色彩与周围环境相和谐，成为美化环境的一部分。

从现有关于智能垃圾桶的研究以及成品看，智能垃圾桶在技术和外观上仍有较大的提升空间。为此，本文提出设计一款多功能多用途垃圾桶，不仅注重用户的交互体验，而且注重提升城市垃圾清理效率。从根据垃圾数据进行合理安排清理路线，到智能化的垃圾分类提醒，以及除臭、温度警报、自动开合桶盖等多个方面增强垃圾桶的功能，再到提供WiFi连接、附近垃圾桶定位等功能，进一步提升垃圾桶实用性。

1智能垃圾桶WiFi功能用途分析

智能垃圾桶具有信息感知、智能决策、自动控制与精准管理等功能，生活垃圾清理路线设定更加合理化，垃圾清理服务更有针对性，垃圾处理方式更加科学化，是今后现代城市建设的重要特征与基本方向[2]。

随着移动终端与技术的快速变革，移动互联网的应用类型、覆盖范围与方式、用户群体等不断发生改变，互联网社会化的广度与深度不断拓展。在此环境下，无线通信及移动计算机在社会信息化建设中的应用逐步普及。在WiFi、蓝牙、无线网络等技术覆盖范围内，用户只需通过智能手机等轻巧便捷的移动终端，便可以连接智能垃圾桶自带的WiFi。

智能垃圾桶以网络布局的方式在城市繁华中心进行布置，通过自带无线WiFi模块，实现城市中心区域WiFi全覆盖，通过配套APP传达相关信息。无线WiFi覆盖设备需要考虑如下问题：①保证信号强度好，WiFi使用通畅；②对信息安全进行严格管控，防止WiFi被不法分子利用。

2设计方案

2.1功能设计

2.1.1智能垃圾桶充电

智能垃圾桶配有太阳能电池板充电系统，晴天可充电，晚上或阴天可通过自备的储电系统自给供电，避免了人工发电的大量能源耗费[3]。太阳能供电系统需具有以下功能：

（1）储电功能。由于智能垃圾桶工作时不使用外接电源，靠太阳能供电，所以需要一个大容量储电设备，以便垃圾桶在长时间未充电状态下依然能够正常使用。

（2）供电功能。由太阳能充电板进行充电储电，在使用过程中不需要外接电源，并可在长期阴雨天中持续使用，提高智能垃圾桶的节能性与高效性。根据垃圾的属性不同，设置不同分类的垃圾桶，供垃圾分类投放使用。

随着全球气候变暖，能源消耗日益加重，为了满足人们最基本的生活条件以及解决企业生产的能源消耗问题，寻找节能、高效型新能源已成为目前的首要任务。利用好太阳能充电续航技术，是智能垃圾桶项目实现节能化的必要条件。太阳能充电续航技术运用在智能垃圾桶中，配合相关的调控装置进行合理充电、放电，解决了智能垃圾桶用电技术难题。

2.1.2智能垃圾桶故障维修

项目初期，首先要建立专门的项目执行小组，分别为：智能垃圾桶数据搜集组、智能垃圾桶维修组、智能垃圾桶垃圾清理组。智能垃圾桶数据搜集组负责传感器系统通过移动互联网渠道反馈信息的接收工作[4]，对垃圾桶反馈到基站的信息进行统计分析，并对垃圾桶的摆放位置、清理时间作合理调整。其同时负责垃圾桶安全警报接收任务。

智能垃圾桶出现故障或危险时，会自动触发报警系统通知数据搜集组。由数据搜集组锁定故障垃圾桶位置，将信息传达给维修组处理。维修组负责智能垃圾桶硬件系统的维修与管理，包括危险排除工作。维修组应配备专业的LED显示屏、触摸显示屏、太阳能供电系统、智能垃圾桶拆卸技术等。在实际工作中，数据搜集组将具体指令发放给维修组，进行智能垃圾桶的维护工作。

智能垃圾桶清理组负责垃圾桶内部垃圾的日常清理工作。按照数据搜集组制定的清理路线，清理组在指定路线上完成清理工作，确保准确性。

2.2结构设计

WiFi智能垃圾桶设计如图1所示。图1左侧为垃圾桶整体设计，桶身为矩形，包含顶部大面积的太阳能充电电池板，侧面为LCD广告显示位，正面为公告显示及涂鸦画板，提供3种类型的垃圾投放口，正面智能识别镜头为用户智能判断垃圾类型，使用户正确投入对应回收口。图1右侧为垃圾桶侧边解剖图，垃圾桶投入口具有自动开合功能，防止气味熏出，并带有温感报警装置[5]，桶内包含垃圾压缩装置，实现垃圾桶桶内空间利用最大化。

3技术实现

3.151单片机工作原理

程序分为三大块：等待延时、定时中断、热释红外传感器中断。当靠近热释红外传感器的探测范围时，传感器热释电元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时会失去电荷平衡，向外释放电荷，经过hn911内部电路处理将此信号转换成电平变换。当检测到人体时向单片机提供一个低电平（下降沿），将此信号作为一个外部中断信号，震动传感器将垃圾桶的震动（被物体撞击）或者重量变化转变成電平信号，通过I/O口单片机可查询到此信号；PT2262/2272 是一对带地址、数据编码功能的红外遥控发射/接收芯片，其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器与发射单元集成于一身，当有垃圾投入或垃圾桶装满转变成电平信号，通过I/O口单片机可查询到此信号。单片机在进行初始化与设定时间后，等待中断信号，当外部中断端有信号时，单片机进入处理中断，通过查询I/O信号，判断是否打开垃圾桶盖；当垃圾桶未满即PT2262/2272端无信号时打开垃圾桶盖（单片机控制电磁铁通电，盖打开），通过震动传感器与PT2262/2272信号综合判断此人是否投放垃圾，此时单片机控制语音芯片发出一些话语，提示大家爱护环境。

由于51单片机有休眠唤醒功能，在PA口加下降沿时单片机唤醒，并且唤醒后执行下一指令，当长时间无人投放垃圾时，单片机自动将除HN911以外的电路电源关闭，之后进入休眠状态，减少能源浪费。当有人时，通过HN911电路部分将单片机唤醒，关闭电源的电路重新通电进入正常工作状态。51单片机垃圾桶工作原理如图2所示。

3.2垃圾桶红外感应原理

垃圾桶红外感应原理如图3所示。

3.3WiFi定位算法

WiFi定位系统由3部分组成：WiFi读写器、rfid定位标签、定位服务器。

定位服务器算法，定位计算n个AP、 AP1、AP2、…APn，m个采样点AP1、AP2、…、APm ，步骤如下：

步骤1：排序。对收到AP（APi，i=1，…n）的RSSI数值R（APi）进行排序。

步骤2：判断是否可以绑定AP。在R（APi）中寻找最强RSSI值，以及对应的APMAC，判断RSSI值是否大于AP设定的绑定条件。若符合AP绑定的条件，则认为定位在AP的位置点上，定位状态为：确定，标签定位结果，退出本次定位。若不符合绑定AP的条件，转入步骤3。

步骤3：判断RSSI个数是否符合继续定位条件。判断R（APi）个数是否达到所设定最少个数。若未达到设定最少个数，定位状态为：干扰，退出本次定位；正常则继续下一步定位。

步骤4：判断RSSI值是否过小。循环当前R（APi）中，统计RSSI值小于特定值（可设置，一般为-80）的个数，决定是否定位或退出定位。

步骤5：判断遮挡与转身情况。手完全遮挡时，RSSI值会降低；转身时，最强AP的RSSI值会降低。

步骤6：获得各采样的RF值。

首先，载入采样值，根据当前RSSI值中包含的所有APMAC，寻找采样数据中当前APMAC的所有采样点，作为等待比较的采样点。当采样点过多时，比较所有采样点损耗的资源。那些采样数据中不包含当前扫描到AP的采样点肯定不在定位范围内。

其次，循环所有载入的采样点，获得RF值。①依次循环所有采样点，针对当前循环到的采样点，若Tag扫描的RSSI中不包含当前采样点最大RSSI值的AP，则当前扫描的RSSI加入一个虚拟值：-200（可设置）；②针对每个采样点以当前RSSI的AP数据为基准，比较采样数据，若采样数据对应的AP不存在，以-80（可设置）填充采样数据中的AP数据；③采样点Pi（i=1，2….，m）、Pj（j=1，2…，n），其RSSI平均值R（Pi，APj）定位时，获得一组RSSI值L（APj（j=1，2…，n）），对每个采样点，计算出RF距离：D（Pi）=SQRT{[L（AP1）-R（Pi，AP1）]×[L（AP1）-R（Pi，AP1）]+…+[L（APn）-R（Pi，APn）]×[L（APn）-R（Pi，APn）]}

③按以下公式，获得所有采样点的RF值：

采样点Pi，i=1，….，m，APj， j=1，…，n 采样点Pi的APj的RSSI平均值，R（Pi，APj）定位时，获得一组RSSI值，L（APj）， j=1，…，n 对于每个采样点P1，…，Pm，计算出RF距离 D（Pi）=SQRT（（L（AP1）–R（Pi，AP1））x（L（AP1）–R（Pi，AP1））+…+（L（APn）–R（Pi，APn））x（L（APn）–R（Pi，APn）））

第三，根据RF值获得定位点。①若最后的RF值只有1个，对应的APMAC也只有1个，则直接定位在AP点，否则状态为：干扰，退出本次定位；②若RF值个数为0，则没有可用的RF值，状态为：消失，退出本次定位；③根据最小RF值，获得采样点的ID。

第四，验证获得采样点ID的有效性。判断当前最强AP的RSSI在采样点数据中对应AP的RSSI差额（可设置），计算当前RSSI值中，最强AP在采样点数据中对应AP的RSSI差额，若大于特定值（可设置），则状态为：干扰，退出本次定位。

步骤7：获得定位结果。正常状态获得采样点的ID就是定位结果。

步骤8：根据采样点ID获得位置点。一个位置点包含多个采样点，当获得采样点以后，根据对应关系，获得位置点的ID。

步骤9记录本次结果。保存本次RSSI值，定位结果，等待下一次计算使用。

定位算法流程如图4所示。

4结语

在互联网+环境下，智能垃圾桶将彻底改变消费者的环境理念。完善的制造业与电子商务网络服务体系，使从事环境保护的相关人员通过智能垃圾桶自动监测系统可以足不出户、实时监控各区域垃圾的生产，分析智能垃圾桶的投放时段决定下一步垃圾车的出行路线。数据缝隙和信息化终端可作为环境保护者的智能体系，指导环境保护人员下一步的工作安排与走向，改变消费者对其处理问题不及时、垃圾回收效率低的偏见，同时加强消费者环境保护意识。

在互联网+环境下，智能垃圾桶能够帮助消费者提升日常生活品质，在智能化家居逐步走向普通消费者生活的时代，消费者希望拥有一个干净、整洁的家庭环境，而智能垃圾桶可以实现这一点。消费者在家中可以通过轻松连接其它智能设备，或通过移动设备将信息共享到智能垃圾桶的系统上，从而提高生活品质，营造温馨的家居环境。环境保护人员可以通过产品收集并分析信息，从而达到清洁环境、提高整体生活品质的目的。

在互联网+环境下，智能垃圾桶能在现有技术下与新技术相互结合，降低人类活动对环境的污染、提高人们的生活品质以及环境保护水平，并促进智能化生活的发展，具有良好的示范作用。还可实现引领环保产品制造业持续发展的目的，加快环境保护改革的发展向智能化生活推进，并充分发挥科技第一生产力的作用，进一步促进高科技创新发展。

参考文献参考文献：

[1]李西建.城市环境污染的根源及治理措施[J].西安工程学院学报，2004，24（3）：3235.

[2]梁婷，常国强，邢皓，等.一种智能垃圾桶的研究与应用[J]. 机械工程师， 2009（1）：155.

[3]陈大为.BigBelly新型太阳能环保垃圾桶[J].海外英语，2009（11）：4042.

[4]严雪萍，成立，韩庆福. 基于GPRS的远程数据采集系统设计[J]. 微计算机信息， 2008，24（2）：115116.

[5]张海宁，郑世帅，孙龙鹤.无线环保与火警监测智能垃圾箱[J].科技创新与应用，2013（11）：2728.

[6]李迎春，张佑生. GSM短消息在无线数据采集与监控中的应用[J]. 计算机工程与应用，2004，40（3）：213315.

[7]殷建. RFID標签实时定位系统[J].常州信息职业技术学院学报，2011，10（3）：4042.

[8]罗萱格.全自动智能垃圾桶设计浅谈[J]. 科技风，2016（18）：288291.

[9]范立南，白志强.基于单片机的智能垃圾桶系统设计[J].仪器仪表用户，2008，15（6）：1617.

[10]周慧，许锦标.新型智能垃圾桶的设计方案[J].广东工业大学学报，2006，23（3）：8588.

[11]陈中跃，刘鹏，孙玲.基于STC15F2K61S2单片机的智能垃圾桶设计[J].电子技术与软件工程，2015（17）：103.