摘 要
近年来，随着经济社会发展、城市规模扩大，生活垃圾的产生量不断增加。垃圾桶作为生活中随处可见的环卫设施，随着垃圾分类的到来一夜之间集万千关注于一身。现如今快速发展的时代，不仅分类垃圾桶正在普及，智能垃圾桶在很多城市也能看到，很大程度地方便了环卫工人的清理与相关工作者的管理，其中蕴含的管理系统与专业技术要求比较严格也比较高。当然，任何高科技产品的结果都要回归产品本身的实用性，怎样用最低的价格开发出最实用的产品才是研究的重点。
本设计以单片机 STM32F103RCT6 为智能控制中心，结合垃圾量检测模块，称重检测模块，温度检测模块、GPS 定位模块，语音提示模块及其外围辅助电路，构成了一个多种检测功能为一体的垃圾管理系统。通过系统控制算法设计和数据、信号处理，本系统实现了智能检测垃圾重量、垃圾容量、桶内温度，并做对应语音提示，当检测到的信号超出自身的设定值时，将主动发送数据给服务器，服务器根据通信协议解析数据，并将数据持久化处理，并推送相关信息到保洁员手机中。基于系统低功耗设计，根据电量多少，系统智能切换工作模式，实现节省电能目的，且能量全部来自新能源供电系统。
本设计能实现 GPS 定位与数据上传、下载功能，并将数据按照一定时间或事件触发上传到服务器。通过测试每个模块的程序是否有误、测试模块之间的接口是否正确、测试整个软件系统是否满足设计功能和性能的要求，保证了产品的可靠性与稳定性。
关键词： 物联网；智能硬件；智能环卫；大数据 。
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、 绪论
1、 Introduction 。
1.1、 课题的背景及意义 （Background and Significance of theSubject）。
随着经济的飞速发展，城市生活垃圾总量也呈逐年增长的趋势，人们大量地消耗资源，大规模生产，大量地消费并产生更多废弃物，使得当今社会对于资源的可持续发展越来越重视。垃圾处理是社会的责任，不仅能使我们的生活环境更美好，也促进了资源的再生利用，从而造福于子孙后代。偌大中国，垃圾处理是否妥当有效，直接影响到全世界的环境。
当今社会对于资源的可持续发展和再利用已经相当的重视。人们大量地消耗资源，大规模生产，大量地消费，又大量地产生着废弃物。随着经济的发展，城市生活垃圾总量也呈逐年增长的态势，如何使这些垃圾变废为宝，从而实现垃圾的资源化，垃圾分类回收是最好出路[1]。许多发达国家的垃圾分类已经实行了几十年，而且效果明显。从 2002 年开始中国政府提倡垃圾分类收集，但是效果却不怎么理想。要实现垃圾分类，政府首先要重视，要制定一套合理的垃圾分类回收系统，还要提高居民的环保意识。垃圾处理是社会的责任。对环境产生的影响，对子孙后代的好处。中国是个大国，垃圾处理得好坏影响到全世界的环境。只有从每家每户做起，才能从源头上做好这件事。“垃圾桶”做为人类生活中不可或缺的必需品，随着垃圾分类的到来一夜之间集万千关注于一身。从简易垃圾桶，到脚踏垃圾桶，再到现如今的分类环保垃圾桶、智能垃圾桶，可以看出垃圾桶的发展是社会文化的折射，也是人类文明的演变[2-3]。垃圾桶经历了从原始户外垃圾桶的概念时代，简易垃圾桶雏形时代，户外垃圾桶普及户外垃圾桶普及时期，垃圾桶升级换代时期，户外分类式垃圾桶时代，智能垃圾桶初期时代，每个时期都各有特色（图 1-1）。
随着时代的进步，传统垃圾桶不再局限于功能性，更多偏向于视觉丰富，那一时期的垃圾桶会随着环境变化，出现各式各样的造型[4-5]，比如，遂宁“观音故里”、“现代花城”的城市印象（如图 1-2），围绕圣莲岛世界荷花博览园，以荷花为创意点，垃圾桶顶盘以莲叶为纹饰，以荷花花苞为元素，运用圣莲岛盛开的荷花意象，与当地文化主题相契合，给人以城市的代入感。
尽管传统的户外垃圾桶在造型上比较丰富，功能却很单一，缺点也较明显，主要体现在[6-8]：
（1）垃圾桶经常出现被盗现象。丢失的垃圾桶很难被找到，给人们生活带来了不便。以青岛为例，每年市南、市北、四方和李沧四区丢失的垃圾桶有近万个。若按现在垃圾桶的市场价每个约 500 元来计算，每年因垃圾桶被盗给环卫部门造成的直接经济损失就达 500 万元左右，给环卫部门造成了巨大的经济损失。
（2）垃圾量检测效率低。传统垃圾桶里垃圾是否满桶并需要清运，一般是通过环卫工人定期巡检，满桶情况比较随机，不好把握，造成了环卫工人不必要的工作量。如果遇到很多垃圾桶同时满桶的情况，还会给环卫工人带来不小的工作压力。
（3）垃圾桶出现自燃现象。夏季垃圾桶自然现象相对较多，高温下食物或其他物体腐烂发酵产生热量引燃可燃物，居民没有熄灭的烟头随手丢进桶内，都会导致垃圾桶的自燃，不仅污染城市环境，破坏环卫设施，更造成了安全隐患（如图 1-3）。
（4）垃圾桶因垃圾超重变形。很多垃圾桶由于受到材料、温度等因素的限制，特别是塑料环保垃圾桶，在长时间使用后不可避免的都会出现一些老化的现象，超过最大载荷会出现变形。若环卫工人没有及时清运垃圾，可能还会开裂并导致垃圾桶的报废，给环卫部门造成一定的经济损失。
垃圾的处理是一个复杂的工作，为了解决传统垃圾桶存在的不足，实现垃圾处理的高效化、便捷化、低成本化，智能垃圾桶应势而生。随着世界经济的逐渐变迁，人们的环保意识逐渐增强，同时人们对于整洁的生存环境和对高质量成活品质的不断渴求，现今的垃圾桶，更是融环保与科技于一体，通过生活中的这些小细节，小转变，能把节能环保理念深入人心，整个社会周而复始、生生不息的发展，这也许就是智能垃圾桶的意义。
合格的智能垃圾桶具有性能稳定、使用寿命长（设计寿命 6-10 年）、使用方便、操作精准、设计精密、卫生环保、节能低耗等特点[9]。智能垃圾桶，人们无需接触垃圾桶的任何部位即可投放垃圾，防止交叉感染，环保卫生，外形雅观；无需外接电源，使用普通电池，耗电低，使用寿命长；密封性能好，减少了生活中各种病菌交叉感染的机率，无垃圾异味溢出，确保四周空气清新。随着人们对生活质量的提升与科技的进步，单一功能的垃圾桶已经满足不了人们的需求，虽然垃圾桶的种类和数量在不断翻新和增加，但人们更加注重它的美观和实用性，并向着 “小巧”和“智能化”方向发展[10-12]，垃圾智能管理系统的设计与实现是一项专业性很强的实用技术，以装载垃圾为基础功能，在保障适用性的前提下利用物联网与科学技术生成更加便捷、稳定、环保、智能的产品。如今，个别发达城市也出现了智能垃圾桶，不过由于造价高、布线繁琐、功能不稳定等原因没有被普遍认可。
针对以上存在的问题，传统的垃圾桶不仅容易被盗，存在大量的安全隐患，也为环卫工人的清理也带来了不便；而现阶段研究的智能垃圾桶又存在成本高，可靠性差，操作繁琐，功能单一的缺点[13]。因此，研发出一款节能环保、功能齐全、稳定性高的智能垃圾桶已经成为了未来的发展趋势。本课题开发的智能垃圾桶不仅具备了传统垃圾桶投放垃圾的功能，也弥补了一些智能垃圾桶的不足，赋予了垃圾桶更多的功能，提高了环卫工人的工作效率，降低了垃圾桶被盗的风险，同时节约了成本，真正做到了节能环保。因此，本课题具有巨大的经济效益和社会效益。
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1.2 智能垃圾桶国内外研究现状
1.3 课题研究内容及方法
1.4 本章小结
2 总体方案设计
2.1 系统功能设计
2.2 各模块方案选型
2.3 本章小结
3 系统硬件设计与实现
3.1 系统硬件电路设计
3.2 微控制器模块电路设计
3.3 电源控制模块设计
3.4 垃圾量检测模块设计
3.5 称重检测模块设计
3.6 温度检测模块设计
3.7 GPS定位与通信模块设计
3.8 语音提示模块设计
3.9 本章小结
4 系统软件设计与实现
4.1 软件设计流程分析
4.2 微控制电路、程序设计
4.3 电源控制模块程序设计
4.4 垃圾量检测模块程序设计
4.5 称重检测模块程序设计
4.6 温度检测模块程序设计
4.7 GPS 与通信模块程序设计
4.8 语音提示模块程序设计
4.9 本章小结
5 服务器软件与实现
5.1 服务器选型
5.2 服务器程序设计
5.3 本章小结
6 系统测试与实现
6.1 系统测试方案
6.2 微控制电路、程序测试
6.3 电源控制模块测试
6.4 垃圾量检测模块测试
6.5 称重检测模块测试
6.6 温度检测模块测试
6.7 GPS与通信模块测试
6.8 语音提示模块测试
6.9 本章小结
7、 总结
本次设计的智能垃圾桶系统主要使垃圾桶具有了垃圾量检测、称重检测、温度检测、GPS与通信功能。经查阅资料，了解到国内生产的智能垃圾桶的种类普遍比国外的少，且功能也比较单一，国外对垃圾桶的研究相对较早、较深入。通过研究现状可以看出国内外学者对垃圾桶的“智能化”做了大量研究，有些智能垃圾桶已经投入了使用，但结合现实发展，并不是贴上了“智能化”标签的垃圾桶都能被人们接受，需要不断优化与改进。而本次设计正是针对这些不足完成了一项低成本、低耗能、多功能控制系统的智能垃圾桶的设计，具有重要的实用价值。
本次设计是在查阅网上资源和相关文献资料，研究了国内外智能垃圾桶现状对其有了一定认识的基础上，对比国内外同类产品，获得了有价值的信息，最后确定适合系统的设计方案，设计思路为：确定智能垃圾桶功能——确定相关传感器型号并设计结构——绘制电路板——编写程序——调试。本次设计的智能垃圾桶系统主要实现了垃圾信息的上传与内容的推送，本文主要的研究内容与取得的成果如下：
（1）通过系统控制算法设计和数据、信号处理，本系统实现了智能检测垃圾重量、垃圾容量、桶内温度，并做对应语音提示，同时把系统数据推送至服务器，经过处理分析，发送到相关工作人员手机上；（2）基于系统低功耗设计，根据电量多少，系统智能切换工作模式，实现节省电能目的，且能量全部来自新能源供电系统。
（3）本设计能实现 GPS 定位与数据上传、下载功能，并将数据按照一定时间或事件触发上传到服务器。通过测试每个模块的程序是否有误、测试模块之间的接口是否正确、测试整个软件系统是否满足设计功能和性能的要求，保证了产品的可靠性与稳定性。
最后，由于自己知识水平有限，软件编程能力不足，本次设计与研究的智能垃圾桶控制系统还有很多不足的地方，测试中暴露出来一些设计的缺陷，比如充电部分容易出现不能自动开启，超声波检测距离过近，温度在零下无法正常显示等，最终也都在反复调试的过程中成功解决。
参考文献
