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基于單片機STM32F103RCT6的智能垃圾桶研制

時間:2020-07-07 來源:中國礦業大學 本文字數:5350字
作者:朱瑩 單位:中國礦業大學
  摘  要
  
  近年來,隨著經濟社會發展、城市規模擴大,生活垃圾的產生量不斷增加。垃圾桶作為生活中隨處可見的環衛設施,隨著垃圾分類的到來一夜之間集萬千關注于一身。現如今快速發展的時代,不僅分類垃圾桶正在普及,智能垃圾桶在很多城市也能看到,很大程度地方便了環衛工人的清理與相關工作者的管理,其中蘊含的管理系統與專業技術要求比較嚴格也比較高。當然,任何高科技產品的結果都要回歸產品本身的實用性,怎樣用最低的價格開發出最實用的產品才是研究的重點。

基于單片機STM32F103RCT6的智能垃圾桶研制
 
  
  本設計以單片機 STM32F103RCT6 為智能控制中心,結合垃圾量檢測模塊,稱重檢測模塊,溫度檢測模塊、GPS 定位模塊,語音提示模塊及其外圍輔助電路,構成了一個多種檢測功能為一體的垃圾管理系統。通過系統控制算法設計和數據、信號處理,本系統實現了智能檢測垃圾重量、垃圾容量、桶內溫度,并做對應語音提示,當檢測到的信號超出自身的設定值時,將主動發送數據給服務器,服務器根據通信協議解析數據,并將數據持久化處理,并推送相關信息到保潔員手機中。基于系統低功耗設計,根據電量多少,系統智能切換工作模式,實現節省電能目的,且能量全部來自新能源供電系統。
  
  本設計能實現 GPS 定位與數據上傳、下載功能,并將數據按照一定時間或事件觸發上傳到服務器。通過測試每個模塊的程序是否有誤、測試模塊之間的接口是否正確、測試整個軟件系統是否滿足設計功能和性能的要求,保證了產品的可靠性與穩定性。
  
  關鍵詞:    物聯網;智能硬件;智能環衛;大數據 。
  
  Abstract
  
  In recent years, with the development of economy and society and the expansion of  city  scale,  the  amount  of  domestic  waste  is  increasing.  As  an  environmentalsanitation facility that can be seen everywhere in our life, garbage cans have attracted thousands of attention overnight with the coming of garbage classification. Nowadays,in the era of rapid development, not only the classification garbage can be popularized, but  also  the  intelligent  garbage  can  be  seen  in  many  cities.  To  a  large  extent,  it  is convenient for the cleaning of environmental sanitation workers and the management of relevant workers. The management system and professional technical requirements contained  in  it  are  more  strict  than  high.  Of  course,  the  results  of  any  high-tech product must return to the practicality of the product itself. How to develop the most practical product with the lowest price is the focus of research.
  
  This  design  STM32F103RCT6  as  an  intelligent  control  center,  combined  with the  garbage  volume  detection  module,  weighing  detection  module,  temperature detection  module,  GPS  positioning  module,  voice  prompt  module  and  its  peripheral auxiliary  circuit,  constitute  a  variety  of  detection  functions  as  one  of  the  garbagemanagement system.
  
  Through  the  system  control  algorithm  design,  signal  processing  and  data,  this system  realizes  intelligent  detection  litter  weight,  volume,  barrel  temperature,  and make corresponding voice prompt, when the detected signal is beyond its own value, will take the initiative to send data to the server, the server according to the analytical data,  communication  protocol  and  the  data  persistence,  and  push  the  related information to the cleaner in the phone.Based on the low power consumption design of the system, the system can switch the working mode intelligently according to the quantity of electric power, so as to save electric energy, and all the energy comes from the new energy supply system.
  
  This  design  can  realize  GPS  positioning  and  data  upload,  download  functions, and data according to a certain time or event triggered upload to the server. By testingwhether the program of each module is wrong, whether the interface between modules is  correct,  and  whether  the  whole  software  system  meets  the  requirements  of  designfunction and performance, the reliability and stability of the product are guaranteed.
  
  In this thesis,there are 44 figures, 6 tables and 70 references.
  
  Keywords:    Internet of things; Intelligent hardware; Intelligent sanitation; Big data 。
  
  1、 緒論
 
  
  1、 Introduction 。
  
  1.1、 課題的背景及意義 (Background  and  Significance  of  theSubject)。

  
  隨著經濟的飛速發展,城市生活垃圾總量也呈逐年增長的趨勢,人們大量地消耗資源,大規模生產,大量地消費并產生更多廢棄物,使得當今社會對于資源的可持續發展越來越重視。垃圾處理是社會的責任,不僅能使我們的生活環境更美好,也促進了資源的再生利用,從而造福于子孫后代。偌大中國,垃圾處理是否妥當有效,直接影響到全世界的環境。
  
  當今社會對于資源的可持續發展和再利用已經相當的重視。人們大量地消耗資源,大規模生產,大量地消費,又大量地產生著廢棄物。隨著經濟的發展,城市生活垃圾總量也呈逐年增長的態勢,如何使這些垃圾變廢為寶,從而實現垃圾的資源化,垃圾分類回收是最好出路[1]。許多發達國家的垃圾分類已經實行了幾十年,而且效果明顯。從 2002 年開始中國政府提倡垃圾分類收集,但是效果卻不怎么理想。要實現垃圾分類,政府首先要重視,要制定一套合理的垃圾分類回收系統,還要提高居民的環保意識。垃圾處理是社會的責任。對環境產生的影響,對子孫后代的好處。中國是個大國,垃圾處理得好壞影響到全世界的環境。只有從每家每戶做起,才能從源頭上做好這件事。“垃圾桶”做為人類生活中不可或缺的必需品,隨著垃圾分類的到來一夜之間集萬千關注于一身。從簡易垃圾桶,到腳踏垃圾桶,再到現如今的分類環保垃圾桶、智能垃圾桶,可以看出垃圾桶的發展是社會文化的折射,也是人類文明的演變[2-3]。垃圾桶經歷了從原始戶外垃圾桶的概念時代,簡易垃圾桶雛形時代,戶外垃圾桶普及戶外垃圾桶普及時期,垃圾桶升級換代時期,戶外分類式垃圾桶時代,智能垃圾桶初期時代,每個時期都各有特色(圖 1-1)。
  
  
  
  隨著時代的進步,傳統垃圾桶不再局限于功能性,更多偏向于視覺豐富,那一時期的垃圾桶會隨著環境變化,出現各式各樣的造型[4-5],比如,遂寧“觀音故里”、“現代花城”的城市印象(如圖 1-2),圍繞圣蓮島世界荷花博覽園,以荷花為創意點,垃圾桶頂盤以蓮葉為紋飾,以荷花花苞為元素,運用圣蓮島盛開的荷花意象,與當地文化主題相契合,給人以城市的代入感。
  
  
  
  盡管傳統的戶外垃圾桶在造型上比較豐富,功能卻很單一,缺點也較明顯,主要體現在[6-8]:
  
  (1)垃圾桶經常出現被盜現象。丟失的垃圾桶很難被找到,給人們生活帶來了不便。以青島為例,每年市南、市北、四方和李滄四區丟失的垃圾桶有近萬個。若按現在垃圾桶的市場價每個約 500 元來計算,每年因垃圾桶被盜給環衛部門造成的直接經濟損失就達 500 萬元左右,給環衛部門造成了巨大的經濟損失。
  
  (2)垃圾量檢測效率低。傳統垃圾桶里垃圾是否滿桶并需要清運,一般是通過環衛工人定期巡檢,滿桶情況比較隨機,不好把握,造成了環衛工人不必要的工作量。如果遇到很多垃圾桶同時滿桶的情況,還會給環衛工人帶來不小的工作壓力。
  
  (3)垃圾桶出現自燃現象。夏季垃圾桶自然現象相對較多,高溫下食物或其他物體腐爛發酵產生熱量引燃可燃物,居民沒有熄滅的煙頭隨手丟進桶內,都會導致垃圾桶的自燃,不僅污染城市環境,破壞環衛設施,更造成了安全隱患(如圖 1-3)。
  
  
  
  (4)垃圾桶因垃圾超重變形。很多垃圾桶由于受到材料、溫度等因素的限制,特別是塑料環保垃圾桶,在長時間使用后不可避免的都會出現一些老化的現象,超過最大載荷會出現變形。若環衛工人沒有及時清運垃圾,可能還會開裂并導致垃圾桶的報廢,給環衛部門造成一定的經濟損失。
  
  垃圾的處理是一個復雜的工作,為了解決傳統垃圾桶存在的不足,實現垃圾處理的高效化、便捷化、低成本化,智能垃圾桶應勢而生。隨著世界經濟的逐漸變遷,人們的環保意識逐漸增強,同時人們對于整潔的生存環境和對高質量成活品質的不斷渴求,現今的垃圾桶,更是融環保與科技于一體,通過生活中的這些小細節,小轉變,能把節能環保理念深入人心,整個社會周而復始、生生不息的發展,這也許就是智能垃圾桶的意義。
  
  合格的智能垃圾桶具有性能穩定、使用壽命長(設計壽命 6-10 年)、使用方便、操作精準、設計精密、衛生環保、節能低耗等特點[9]。智能垃圾桶,人們無需接觸垃圾桶的任何部位即可投放垃圾,防止交叉感染,環保衛生,外形雅觀;無需外接電源,使用普通電池,耗電低,使用壽命長;密封性能好,減少了生活中各種病菌交叉感染的機率,無垃圾異味溢出,確保四周空氣清新。隨著人們對生活質量的提升與科技的進步,單一功能的垃圾桶已經滿足不了人們的需求,雖然垃圾桶的種類和數量在不斷翻新和增加,但人們更加注重它的美觀和實用性,并向著 “小巧”和“智能化”方向發展[10-12],垃圾智能管理系統的設計與實現是一項專業性很強的實用技術,以裝載垃圾為基礎功能,在保障適用性的前提下利用物聯網與科學技術生成更加便捷、穩定、環保、智能的產品。如今,個別發達城市也出現了智能垃圾桶,不過由于造價高、布線繁瑣、功能不穩定等原因沒有被普遍認可。
  
  針對以上存在的問題,傳統的垃圾桶不僅容易被盜,存在大量的安全隱患,也為環衛工人的清理也帶來了不便;而現階段研究的智能垃圾桶又存在成本高,可靠性差,操作繁瑣,功能單一的缺點[13]。因此,研發出一款節能環保、功能齊全、穩定性高的智能垃圾桶已經成為了未來的發展趨勢。本課題開發的智能垃圾桶不僅具備了傳統垃圾桶投放垃圾的功能,也彌補了一些智能垃圾桶的不足,賦予了垃圾桶更多的功能,提高了環衛工人的工作效率,降低了垃圾桶被盜的風險,同時節約了成本,真正做到了節能環保。因此,本課題具有巨大的經濟效益和社會效益。
  
  【由于本篇文章為碩士論文,如需全文請點擊底部下載全文鏈接】
  
  1.2  智能垃圾桶國內外研究現狀
  1.3  課題研究內容及方法
  1.4  本章小結
  
  2  總體方案設計
  
  2.1  系統功能設計
  2.2  各模塊方案選型
  2.3  本章小結
  
  3  系統硬件設計與實現
  
  3.1  系統硬件電路設計
  3.2  微控制器模塊電路設計
  3.3  電源控制模塊設計
  3.4  垃圾量檢測模塊設計
  3.5  稱重檢測模塊設計
  3.6  溫度檢測模塊設計
  3.7  GPS定位與通信模塊設計
  3.8  語音提示模塊設計
  3.9  本章小結
  
  4  系統軟件設計與實現
  
  4.1  軟件設計流程分析
  4.2  微控制電路、程序設計
  4.3  電源控制模塊程序設計
  4.4  垃圾量檢測模塊程序設計
  4.5  稱重檢測模塊程序設計
  4.6  溫度檢測模塊程序設計
  4.7  GPS 與通信模塊程序設計
  4.8  語音提示模塊程序設計
  4.9  本章小結
  
  5  服務器軟件與實現
  
  5.1  服務器選型
  5.2  服務器程序設計
  5.3  本章小結
  
  6  系統測試與實現
  
  6.1  系統測試方案
  6.2  微控制電路、程序測試
  6.3  電源控制模塊測試
  6.4  垃圾量檢測模塊測試
  6.5  稱重檢測模塊測試
  6.6  溫度檢測模塊測試
  6.7  GPS與通信模塊測試
  6.8  語音提示模塊測試
  6.9  本章小結

  7、 總結

  本次設計的智能垃圾桶系統主要使垃圾桶具有了垃圾量檢測、稱重檢測、溫度檢測、GPS與通信功能。經查閱資料,了解到國內生產的智能垃圾桶的種類普遍比國外的少,且功能也比較單一,國外對垃圾桶的研究相對較早、較深入。通過研究現狀可以看出國內外學者對垃圾桶的“智能化”做了大量研究,有些智能垃圾桶已經投入了使用,但結合現實發展,并不是貼上了“智能化”標簽的垃圾桶都能被人們接受,需要不斷優化與改進。而本次設計正是針對這些不足完成了一項低成本、低耗能、多功能控制系統的智能垃圾桶的設計,具有重要的實用價值。

  本次設計是在查閱網上資源和相關文獻資料,研究了國內外智能垃圾桶現狀對其有了一定認識的基礎上,對比國內外同類產品,獲得了有價值的信息,最后確定適合系統的設計方案,設計思路為:確定智能垃圾桶功能——確定相關傳感器型號并設計結構——繪制電路板——編寫程序——調試。本次設計的智能垃圾桶系統主要實現了垃圾信息的上傳與內容的推送,本文主要的研究內容與取得的成果如下:

  (1)通過系統控制算法設計和數據、信號處理,本系統實現了智能檢測垃圾重量、垃圾容量、桶內溫度,并做對應語音提示,同時把系統數據推送至服務器,經過處理分析,發送到相關工作人員手機上;(2)基于系統低功耗設計,根據電量多少,系統智能切換工作模式,實現節省電能目的,且能量全部來自新能源供電系統。

  (3)本設計能實現 GPS 定位與數據上傳、下載功能,并將數據按照一定時間或事件觸發上傳到服務器。通過測試每個模塊的程序是否有誤、測試模塊之間的接口是否正確、測試整個軟件系統是否滿足設計功能和性能的要求,保證了產品的可靠性與穩定性。

  最后,由于自己知識水平有限,軟件編程能力不足,本次設計與研究的智能垃圾桶控制系統還有很多不足的地方,測試中暴露出來一些設計的缺陷,比如充電部分容易出現不能自動開啟,超聲波檢測距離過近,溫度在零下無法正常顯示等,最終也都在反復調試的過程中成功解決。

  參考文獻

  原文出處:朱瑩. 智能垃圾桶的設計與研究[D].中國礦業大學,2019.
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