基于Arduino 的智能绿色垃圾桶的设计

张博 马晓元 杨维 耿放

河北轨道运输职业技术学院，河北石家庄 052165

0 前言

1 基本思路和设计方案

基于“不接触即可打开垃圾桶盖”和“绿色、环保、再利用”两大目标，设计的智能垃圾桶主要实现超声波、红外人体检测，手机端App 遥控，伺服电机控制，环境温湿度检测等功能。充分回收使用家庭快递包装盒作为垃圾箱垃圾盛装部分，利用票夹、废旧吸管可快速将伺服电机同垃圾桶盖和桶体组合在一起，垃圾装满后可快速换装新的桶体和桶盖，实现家用废旧物品再利用的目的。图1 是按照设计思路制作的一个智能绿色垃圾桶样图。

所设计的智能绿色垃圾桶的主控制器是Arduino[1]，这是一款起源于意大利的开源电子设计平台。Arduino 可以驱动多种传感器件感知周围环境，通过Arduino 编程语言，即Arduino IDE 实现对设备的控制。

当使用者移动到距离垃圾桶感应端40 cm 以内范围后，垃圾桶自动打开，延时3 s 后自动闭合。为提升垃圾桶的服务质量，使用者可以通过手机遥控垃圾桶打开，同时会触发手机端App，收到温度湿度数据。

工作模式一：智能绿色垃圾桶主控制模块为Arduino，超声波传感器和红外人体感应模块共同作用，检测到有物体移动到垃圾桶上方一定距离内（设定为40 cm）后，向Arduino 控制模块发送感应信号，Arduino 控制模块触发伺服电机动作打开垃圾桶盖，延迟一定时间后（参考值3 s），垃圾桶盖自动关闭；

工作模式二：智能绿色垃圾桶主控制模块为Arduino，设计手机端控制软件，利用蓝牙模块实现手机和Arduino 的无线通信，手机端软件可以遥控垃圾桶打开，同时通过安装的温湿度传感器实测环境中的温度、湿度数据发给手机端，方便使用者操作。

智能绿色垃圾桶工作流程图如图2 所示。本次设计的智能绿色垃圾桶硬件组成及各模块之间的关系如图3 所示。

2 传感器选用和硬件组合设计

为实现智能绿色垃圾桶的功能，选用如图4所述型号的Arduino UNO 控制模块和传感器件，并对设备进行组装、连线。

在扬中市智慧城市建设中，建设主体除了政府和市场以外应当还有另一个新的建设主体——扬中市民。市民是智慧城市应用领域的主要体验者，中国城市规划设计研究院徐辉教授曾指出：当前的城市建设要以让人民群众享受到城市化的便利为导向，市民决定着城市建设的依据和动力［6］。因此建设过程中应充分发挥扬中市人民群众的智慧，集民智聚民心，真正解决人民问题。

（1）Arduino 开发板[1]，型号为Uno R3。Arduino 主控制模块，运行电压：5 V；数字I/O端子：13 个；输出电压：3.3 V/5 V。

Arduino 通过加装的各式传感器件感知外界环境状态，通过控制舵机、LED 灯、开关等装置影响环境。可以使用Arduino 编程语言编写程序，并将编译好的二进制代码文件通过USB 接口烧录到微型控制器内，上述过程操作起来非常方便灵活。

（2）使用RUS-04 超声波传感器和HW-201 红外人体感应传感器冗余配置，提高对人体感应的准确性和可靠性。设置超声波传感器的有效触发距离在2～ 40 cm 之间，为防止侧向物体干扰，感应角度要缩小，通过实践证明，设置感应角度小于15°可以满足需求。

智能绿色垃圾桶通过超声波模块感应物体靠近[2]，超声波模块分为发射器和接收器。发射器向外发射超声波，同时内部计时器开始计时，超声波在传播过程中碰到障碍物阻挡会被反射，被反射回的超声波会有部分被接收器捕捉到，计时器会立即停止计时。工程实践证明，在空气中，超声波速度大约为340 m/s，根据计时器两次计时时间差值，可计算出超声波发射点距离反射点的距离S。

其中，S——距离；

V——超声波在空气中传播速度；

t——计时器两次计时时间差值。

RUS-04 超声波模块[3]如图5 所示，有4 个引脚，分别是 Vcc（供电端）、Trig（触发端）、Echo（回波端）、GND（接地端）。触发端是测距引脚，Trig 引脚检测到时长10 μs 以上高电平信号后，触发发送模块，送出8 个40 kHz 脉冲信号，同时接收模块开始检测回波信号。一旦感应到回拨信号，Echo 引脚输出高电平，高电平持续时间就是超声波从发射端发射出去到接收端接收的时间。根据以上原理，可以使用函数pulseIn()获得距离测量的结果，并计算实际距离，程序示例如下：

distance=pulseIn(SignalPin,HIGH)/58.00

红外避障模块HW-20 如图6 所示，配置有红外发射管和红外接收管。发射管发出固定频率的红外线，在空气中传播的红外线受物体阻挡并反射后被接收管接收，经过电路内置比较器电路处理后输出低电平信号，可通过此信号计算出物体距离发送端距离。

为提高垃圾桶感应的有效性和可靠性，综合采用这两个模块进行冗余配置，在软件控制部分，Arduino 主控制器对RUS-04 超声波模块和HW-20 红外避障模块的信号输入进行“与”逻辑运算。

（3）使用如图7 所述SG-90 伺服电机，将SG-90 伺服电机的壳体固定在垃圾桶垂直侧面顶部，将垃圾桶盖固定在SG-90 伺服电机的旋转端子上以控制垃圾桶箱盖的开合。SG-90 伺服电机性能指标如下，重量9 g；无负载速度0.002 s/°(4.8 V) ；旋转扭矩1.2～1.4 kg/cm(4.8 V)。

SG-90 舵机需使用20 ms 时基脉冲进行控制，时基脉冲的高电平部分在0.5～2.5 ms 范围内。如果伺服电机的动作角度是180°，则高电平脉冲持续时长同伺服电机动作角度的关系如表1 所示。这种伺服电机控制方法称为脉冲调制，脉冲持续时长决定了转向器的旋转角度。表1 所举例子只是几个特殊角度，控制高电平持续时间可以使舵机保持角度在0°～180°范围内任一角度。控制系统发出脉冲信号将转向器移动并固定在某一位置后，转向器角度将始终保持不变，直至控制系统发出下一脉冲信号。

表1 高电平脉冲持续时长同伺服电机动作角度关系

（4）通过使用如图8 所述JDY-16 蓝牙模块[4]，在手机和垃圾桶之间建立起无线通信，实现数据的双向传递。JDY-16 透传模块是基于蓝牙4.2 协议标准，工作频段为2.4 GHz 范围，调制方式为高斯频移键控（GFSK），理论最大通信距离80 m，支持用户通过AT 命令修改设备名、服务UUID、发射功率、配对密码等指令，方便快捷，使用灵活。JDY-16 蓝牙模块性能指标如下，有效通信距离：80 m；蓝牙版本：4.2；工作温度：-40～80 ℃；通信速率：8 kBytes/s；工作电压：1.8～3.3 V。

（5）配置如图9 所述DHT-11 温度湿度传感器，增加智能垃圾桶服务内容。DHT11 数字温湿度传感器是一种性能稳定，被广泛使用的温度湿度复合传感器。传感器内部有电阻式湿度感应元件和一个NTC 温度感应元件。DHT11 具有测温、测湿数据响应快，校准温湿度数据抗干扰能力强等优点。

（6）开发手机端控制软件，可以遥控垃圾桶。手机端采用AI2 制作安卓应用程序，AI2 是一个可视化的安卓应用制作平台[5]。如图10 所示，用户使用浏览器打开 AI2 平台网站，通过拖拽组件完成界面设计，通过编写程序实现逻辑功能块，完成安卓应用的制作并下载到手机，手机端App 操作界面如图11 所示。

各组成模块间的关系见图12 设备硬件连接示意图，供电模块为Arduino 提供工作电能，其他设备通过Arduino 上的供电端口获取电能。设备正常工作时，假若有移动的物体靠近感应端，超声波传感器和红外避障模块综合判断并将判断结果发送给Arduino控制板，Arduino 控制板发送动作命令给伺服电机，伺服电机带动垃圾桶盖打开，3 秒后自动关闭。如果手机端App 打开并同蓝牙通信模块建立通信，可以通过手机App 发送打开信号给蓝牙模块，蓝牙模块将收到的信号通过串口传输给Arduino控制板，Arduino 控制板控制伺服电机动作打开垃圾桶盖，同时，Arduino 控制板采集温度、湿度传感器的温湿度数据并通过串口和蓝牙通信模块发送到手机端。

3 智能绿色垃圾桶软件逻辑实现

Arduino 平台使用C/C++语言编写程序，所谓的Arduino 语言是由底层单片机支持库进行二次封装后形成的，是Arduino 核心库文件提供的各种应用程序编程接口（API）的集合。

智能绿色垃圾桶软件逻辑流程图如图13 所示。一个程序流程开始后，第一步进行数据初始化，首先判断串口缓存区是否有数据：如果有数据，则说明当前是在手机App 控制模式，进一步判断当前接收到的是“OPEN”打开指令还是“CLOSE”关闭指令，根据指令不同输出驱动伺服电机打开或者关闭垃圾桶盖子；如果串口缓存区没有数据，说明当前是垃圾桶自动感应模式，将超声波传感器和红外避障模块测量是否有物体靠近的结果取“与”运算，综合判断物体靠近与否，如果确有物体靠近，则驱动伺服电机打开盖子，延迟3 s 后驱动伺服电机关闭盖子。

4 总结

通过在Arduino 平台的硬件连接和软件设计，实现了两种工况下垃圾桶的控制。第一种工况是普通模式，垃圾桶通过超声波传感器和红外传感器感应物体靠近或离开后，自动打开和关闭盖子；第二种工况是遥控模式，使用手机遥控垃圾桶打开和关闭，在App Inventor 2 平台编写手机端控制软件（App），通过蓝牙模块建立手机和垃圾桶间通信。下一步计划加装垃圾桶运动模块，实现垃圾桶自动避障，手机端遥控垃圾桶运动等功能。