智慧城市之智能垃圾桶的设计与应用

李智彤 张琪 蔡俊婷 李莉（指导老师）

北京师范大学珠海分校

一、引言

近年来，智慧城市建设已经成为各国发展的重要方向，即通过先进的科学技术，以智慧的管理手段将城市的资源整合，从而大幅提高人们的生活质量。据统计，全球垃圾年均增长速度为8.42%，预计到2025年全球垃圾年产量将达22亿吨，随之而来的环境污染、细菌传播等问题也日趋严重，因此，提升城市环卫管理工作的智能化水平刻不容缓。

纵观全球，有这样一种由先进的微芯片、传感探测装置、机械传动部分组成的集机光电于一体的高科技产品正在进入人们的视线，即智能垃圾桶。在美国Bigbelly公司、伦敦市政等前人开发智能垃圾桶的启发下，本项目研发出一种具有太阳能充电、自动感应、垃圾压缩等功能的智能垃圾桶，能够较高地提升垃圾回收效率并整合城市资源，提升城市智能化水平。

二、城市智能垃圾桶功能简介

（一）自动感应功能

目前，市面上的城市智能垃圾桶大多带有红外线自动感应投放口。而我们则采用光电感应来实现此功能，该投放口由电路芯片控制，由光电感应器和机械电子驱动系统组成。当人们的手或物体距离垃圾桶口15cm左右时，垃圾桶会自动开盖，且垃圾桶盖子会在垃圾投放完毕后自动关闭。这种设计使人们扔垃圾更加便利，人们无需与垃圾桶直接接触，减少了细菌传染的概率，大大减轻了人们扔垃圾时的厌恶情绪，使人们更加积极主动地往垃圾桶里投放垃圾。

（二）垃圾分类功能

智能垃圾桶在垃圾分类上与传统垃圾桶不同。应用在城市街道的传统垃圾桶在类别划分上相对比较粗略，一般在可回收垃圾、不可回收垃圾和其他垃圾类别中选择其中的两到三个。而城市智能垃圾桶在类别划分上则更为细致，除设有可回收垃圾和不可回收垃圾两个类别外，还设置了有害垃圾这一类别，其中又细分出电子垃圾、化妆品、电池和过期药品这四个人们常丢弃的且需要专业处理的子类别。该垃圾桶的垃圾投放口设置如图1所示。

图1 垃圾投放口设置图

这样的类别划分能够大大降低城市垃圾被错误处理的可能性，从而减少因城市垃圾处理错误而导致环境污染的事件发生，以及防止此类垃圾因处理错误被不法分子回收后再度流入市场，扰乱市场秩序，危害人们健康。

（三）垃圾压缩功能

城市智能垃圾桶针对当前传统垃圾桶存在的桶内容量有限、垃圾容易满溢的问题，设置了垃圾压缩的功能。应用了垃圾压缩功能的智能垃圾桶可将垃圾压缩至1/5 体积，其容量可达普通垃圾桶的5-10倍。这不仅无形拓宽了智能垃圾桶的垃圾承受容量，从而大大减少垃圾满溢现象的发生概率，有效降低垃圾转运频率和垃圾运输费用，而且还能消除清运中的二次污染，对于环卫部门的工作和环境的改善都大有帮助。同时，垃圾桶的压缩功能有效分担了固废转运站的垃圾处理与垃圾压缩作用，可以有效减少城市内固废转运站数量，节约城市空间，保护环境。

三、工作原理

（一）垃圾桶自动开关门

光电开关测距后由舵机开门。垃圾桶设计在左右两侧门前各有一个TB12J-D15N1激光漫反射光电开关。当人靠近垃圾桶前15cm区域时，光电开关闭合，STC IAP15F2K60S2主控器在收到来自光电开关的高电平后通过PB0端口对控制垃圾桶盖板的JX6221大扭力标准数字舵机发出方波并使其旋转开门。当光电开关断开后延时10s开关仍未再次闭合，将判定为人已经离开，主控对舵机发出方波使舵机旋转关门。

（二）垃圾压缩

当垃圾桶盖板关闭时，垃圾桶内顶部的光电开关将检测垃圾是否已满。当桶内垃圾高度达到光电开关探测范围内时，光电开关闭合，判定为垃圾已满。此时主控向液压站02-3C2-220电磁阀和液压站供电继电器发出高电平使液压站启动，电磁阀换向，MOB80＊500液压缸伸长压缩垃圾桶内固体废物。延时等待液压缸达到最大行程后，向电磁阀发出低电平使液压缸收回。延时等待液压缸完全收回后，主控向继电器发出低电平使液压站断电。

（三）垃圾溢出

当一次压缩过程完成后，如果仍检测到垃圾桶内垃圾已经满，垃圾桶将重复压缩过程。如果两次压缩后仍然检测到已满状态，垃圾桶将判定垃圾压缩已达到最大密度，主控将在警告线路上发出高电平，同时将“垃圾已满”指示灯点亮并停止响应靠近垃圾桶，不再打开垃圾桶盖板。

（四）供电设计

开关电源是一种利用开关管的开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源是由PWM控制芯片和MOSFET管构成。使得开关电源技术也在不断地创新。开关电源体积小重量轻，输出电压稳定无纹波，不易对精密电子元器件造成损伤，性价比高。我们采用12V输出的直流开关电源，同时使用DC-DC模块为主控板提供5V直流电，可以有效消除交流纹波并防止电子电路受到外界干扰。

图2 主板信号处理流程图

图3 流程图

（五）信号处理

本机采用STC公司成本低廉，高性价比的STCIAP15F2K60S2单片机作为主控制器，处理所有的信号并控制所有执行器。STC15F2K60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快7-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，即使在强干扰场合运行也十分稳定。

（六）电气安全

本机整体为金属外壳，供电使用220V工频交流电，属于I类电器设备。本机外壳设计了保护接地，同时在总电源上安装了漏电保护器。在耐压上，本机控制板设计了电磁屏蔽法拉第笼，整机信号电与动力电隔离，拥有良好的电磁兼容性能。电路部分采用合格电源产品，可以达到3000V以上耐压，拥有良好的防雷性能，可以适应各种工况。

四、系统设计与测试

智能垃圾桶在系统设计上采用了C语言编程与Keil uVision5技术，通过将编写好的程序录入到单片机，完成对智能垃圾桶的系统控制设计。在这之后就要进行系统控制测试，主要的测试内容包括红外自动感应测试以及垃圾压缩测试。

首先是自动感应测试，我们对智能垃圾桶通电5分钟，确定其工作状态的情况下保证人手在距离垃圾桶一稳定距离内不触碰到垃圾桶盖其就可以自动打开，并在规定时间内关闭。在设定一定数量的测试次数后开始测试，将测试结果记录整理并不断调试后，最终将触发自动感应的条件，即人手与垃圾桶的范围稳定在15cm以内且桶盖在10秒之内关闭。

其次是垃圾压缩测试，我们在对垃圾桶通电后，人为丢弃一定数量不同种类的垃圾，观察其在垃圾满溢状态下是否能够将垃圾压缩至整体的五分之一大小，两次垃圾压缩之间的时间间隔以及油缸的耐用程度等。在进行大于十五次的实验之后，我们将数据进行归纳整理，并及时解决问题，保证油缸能够在多次工作后运行良好。

五、总结

公共垃圾桶作为城市中重要的基础设施，不仅为保持环境卫生所需，而且还彰显出一个城市的风貌特色。随着“智慧城市”概念在我国兴起和普及，公共垃圾桶也不断朝智慧化方向发展。本项目通过利用C语言编程和Keil uVision4等技术以及各类传感器等器件，研发出一款具有太阳能充电、自动感应、垃圾压缩等功能的智能垃圾桶。与传统垃圾桶相比，该智能垃圾桶自动化程度高且安全环保，能够较高地提升垃圾回收效率并整合城市资源，对于城市的智慧化建设和城市环境的治理均具有积极意义。