【《基于物联网的智慧垃圾处理系统设计与实现》8000字】

I基于物联网的智慧垃圾处理系统设计与实现摘要：本文研究的内容是基于物联网的智慧垃圾处理系统。该设计硬件部分采用STM32F103C8T6单片机作为主控器，主要由超声波模块、重量检测模块和无线传输模块等部分组成。当通过超声波模块或重力测量模块检测到垃圾桶组中某一垃圾桶的垃圾达到饱和时，该设计会通过无线传输模块将数据传输至智能小车，小车在接收到信号后，确定达到饱和的垃圾桶，按照规划好的路线找到垃圾桶并返回原处。该设计的实现在很大程度上节约了城市清洁所需的人力财力以及时间，大大提高了清洁效率。关键词：垃圾处理；STM32；无线传输；超声波目录TOC\o"1-3"\h\u215451绪论 1112671.1研究背景及意义 190951.2课题概述 286902硬件电路设计 344112.1总体设计 3305812.2系统核心控制单元 326872.2.1STM32F103C8T6简介 4224852.2.2STM32F103C8T6引脚 5123062.3无线模块 6222222.4超声波模块 7173232.5重力测量模块 9193463软件设计与实现 12131413.1主程序设计 12319623.2NRF无线传输 13246563.2.1垃圾车部分 13283003.2.2垃圾桶部分 14286583.3重量检测 1496333.4超声波检测 15236444系统调试与实现 17247074.1硬件搭建与调试 1730644.2软件编程与调试 1738535总结 1911747参考文献 2011280附录 221绪论随着我国社会、经济以及文化的高速发展，我国居民的环保意识正在不断的提高，同时，我国也越来越重视环境保护方面的问题。近年来，大批志愿者投身城市环境保护事业，有关如何高效处理城市垃圾的问题也受到了越来越多的重视。垃圾桶作为居民生活的必须品，为人们提供了许多便利，节约了很多时间，但是垃圾桶的清理问题却依然有待解决。在一、二线城市或商场、小吃街等人口密集，人员流动量大的地方，垃圾桶的容量也会较为快速的达到饱和状态，因此需要处理满溢垃圾的频率也大大提高；而在小县城、郊区等人口密度较小，人员流动量较小的地方，垃圾桶容量达到饱和的速率也会大大下降，且充满不确定性。在垃圾处理方面，频繁的人工查看浪费了大量人力、财力以及时间，效率低下；而定时定期处理，效果也并非绝佳，不能保证及时、准确的处理城市垃圾，可能会出现垃圾满溢的现象，破坏城市整洁，影响市容市貌。为了解决这个问题，提高城市垃圾处理的效率，本课题研究设计出一种生产成本相对较低，在投入使用和器械维护方面也较为便捷的基于物联网的智慧垃圾处理系统。该设计初步实现了在节约人力物力以及时间的情况下，可以及时、准确的处理城市垃圾的目的，为城市环境的整洁与美化添砖加瓦[1]。1.1研究背景及意义在人们的日常生活中，垃圾桶作为一种给人们带来了诸多便利越发不可或缺的生活用品，遍布于城市大街小巷的各个角落。随着时代的进步与社会的发展，人民的生活水平也在不断的提高，因此人们对生活品质的追求也逐渐发生着变化。伴随着国内外经济的高速发展，人们早已度过了只求吃饱穿暖有粮万事足的时代，日渐富足且可以开始享受的生活让人们开始对生活品质有了更高的追求。更加舒适、整洁的日常生活工作环境已经是近几年来的大流追求趋势。对于一个城市而言，发展的前提是人才的流入，而一个城市对人才的吸引力除了其发达程度及就业机会外，便是这个城市的宜居程度，因地理位置所限制的环境气候等因素并非能够人为改变，城市的清洁美观程度却是可以人为改变的。而随着我国社会文化以及人民素质的快速发展，我国有关环境保护的法律法规及社会制度也愈发的完善，愈发的严谨，因此国家和人民都对环境质量提出了更高的标准及要求，城市垃圾的处理问题也受到了越来越多的重视，引发了越来越多的思考。但是，根据统计，就目前的情况而言，大部分城市清洁管理模式都较为传统，都是使用每天定时定点定趟由保洁人员和垃圾处理车辆一起到各个垃圾桶处或垃圾聚集处统一收集，统一处理，然而由于人流量的问题每个垃圾桶产生垃圾的速率并不相同，有些垃圾桶在未到收集时间时就已经达到饱和甚至出现满溢现象，与之相反，有些垃圾桶在环卫人员去收集垃圾时依旧空空如也，这样两极分化的现象导致环卫工人不得不耗费大量的精力去巡逻查看，以保证垃圾的及时处理及市容整洁。针对以上现象，本文研究设计了一种可以通过无线传输模块进行远程调度以达到节省人力物力目的的基于物联网的智慧垃圾处理系统，该设计的硬件部分包括智能检测垃圾桶部分和智能垃圾运输小车部分[2]。1.2课题概述本文主要研究内容是基于物联网的智慧垃圾处理系统。当城市中某一智慧垃圾桶的容量即将达到饱和时，该垃圾桶会发出饱和信号，在信号被接收处理后，将会传送至智能垃圾车，小车在接收到信号并进行判断处理后，根据所接收到的数据选择路线，及时开往即将达到饱和的垃圾桶所在处。这样，就达到了按照不同情况第一时间处理饱和垃圾桶的目的，既节约了环卫工人的精力与时间，提高了城市垃圾处理的效率，也保证了城市卫生的干净整洁，为居民提供了更好的生活环境。2硬件电路设计2.1总体设计本设计设计了一组垃圾桶（共3个），其中两个垃圾桶上安装超声波传感模块，一个垃圾桶上安装称重传感模块，通过这两个模块智能检测垃圾桶组中是否有垃圾桶的容量即将达到饱和，若检测到某一垃圾桶的容量即将饱和，超声波（称重）模块向主控板发出信号，主控板在接收信号并对信号进行一定程度的处理后，通过无线传输模块将信号发送至智能小车，智能小车接收信号，由主控板分析处理所得数据，判断该饱和垃圾桶所在位置，选择路线前往该饱和垃圾桶所在地点处理垃圾并返回起始位置。总体的设计主要包括STM32单片机最小系统、超声波传感模块、称重模块、无线传输模块等。总体设计如图2.1：超声波传感器超声波传感器重力测量模块桶STM32F103C8T6无线传输模块无线传输模块车STM32F103C8T6循迹模块显示模块显示模块图2.12.2系统核心控制单元本设计选择的核心控制单元为STM32F103C8T6，之所以选择C8T6处理器是因为针对本设计而言该芯片在实现设计功能的前提下能够提供更加丰富的接口及功能，便于连接项目设计中各个功能所需要的模块，除此以外，该芯片有着较低成本和更小的功耗[3]。在本设计中，使用两块STM32F103C8T6单片机最小系统分别对智能小车部分和智慧垃圾桶部分进行控制，通过无线传输模块将两个部分相连接[4]。在智慧垃圾桶组部分，C8T6最小系统负责处理超声波模块和重力模块传输过来的桶内垃圾数据，并通过无线传输模块将数据传输至智能小车部分；在智能小车部分，该最小系统通过无线传输模块接收到数据后，通过执行判断，驱动循迹模块找到正确路线到达即将饱和的垃圾桶处处理垃圾[5]。2.2.1STM32F103C8T6简介STM32F103C8T6处理器是意法半导体ST公司生产的基于ARMCortex-M内核支持实时仿真和跟踪的STM32系列的32位微控制器一种[6]。该芯片最小系统板实物图，见图2.2所示图2.2基本参数：●总线宽度：32-位●速度：72MHz●输入/输出数：37●程序存储器容量：64KB(64Kx8)●RAM容量：20Kx8●电压-电源(Vcc/Vdd)：2V~3.6VSTM32单片机主要优势如下：（1）实时性能优异（2）功耗控制较为精准（3）集成整合程度较高（4）封装体积小（5）外部接口较多，功能完备（6）价格较低，性价比较高；（7）芯片发展较为成熟，教程资料较多，容易的上手。2.2.2STM32F103C8T6引脚STM32单片机核心板接口原理图，见图2.3：图2.3STM32F103C8T6引脚图，串口、晶振、复位键，见图2.4：图2.4STM32F103C8T6单片机主要引脚：●第3、4引脚：32.768KHz晶振接口●第5、6引脚：主时钟晶振接口●第7引脚：复位引脚●第8引脚：模拟地；第23、35、47、44引脚：数字地●第14、16、17、15引脚：SPI接口●第30、31引脚：UART接口●第16、17、15引脚：SPI接口

●第30、31引脚：UART接口2.3无线模块无线传输模块在本设计中起着至关重要的连接作用，负责将智慧垃圾桶部分与智能小车部分相互连接在一起[7]。当垃圾桶组中有垃圾桶即将达到饱和状态的时候，无线传输模块接收到核心控制系统发出的数据后，负责将信号传输至智能小车部分，智能小车在通过无线传输模块接收到该信号之后，才会进行下一步的工作任务，判断饱和垃圾桶，选择路线，到达饱和垃圾桶所在地处理垃圾并返回原处[8]。无线传输模块在本设计中是连接两个硬件部分的重要桥梁，是传输信息所必要的部分，鉴于NRF24l01体积小，功耗低，价格低廉，便于开发等特点，本设计选择nrf24l01作为无线传输模块[9]。NRF24l01实物图，见图2.5：图2.5基本参数如下：●工作电压：1.9V-3.6V●工作频率范围：2.400GHz～2.525GHz●发射功率：0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm●数据传输速率支持1Mbps、2Mbps●电流消耗小引脚接线图见图2.6：图2.6芯片特性：工作电压低，1.9-3.6V传输速率高，2Mbps体积小巧功耗较低资料丰富，便于开发2.4超声波模块本设计利用超声波模块的测距功能原理，对垃圾桶内的垃圾饱和程度进行判断[10]。在垃圾桶边沿安装超声波模块，在系统开始工作后，安装在垃圾桶边沿部分的超声波模块会通过探头不断发出声波信号，该信号在向垃圾桶内部扩散的过程中会遇到丢弃在垃圾桶中的垃圾，这些垃圾会反射超声波模块发出的声波信号声，并形成反射波，当模块上负责接收信号的探头接收到由桶内垃圾反射回来的反射波信号后，会将该信号转化为电信号。若是超声波模块通过检测桶内垃圾与垃圾桶边沿之间的距离发现垃圾饱和程度即将达到限度值，则会将信号传至单片机，进而调动小车处理垃圾，以确保桶内垃圾不会溢出，保持城市整洁[11]。本设计选择HC-SR04模块作为超声波测距模块，之所以选择该超声波模块是因为其性能十分稳定不易紊乱，有着较为精确的测距功能，同时模块有着很高的精度，盲区相对较小，这样就可以更加准确的对桶内垃圾与垃圾桶边沿之间的距离进行测量，可以较为完美实现本设计的要求，且该模块价格低廉，性价比高。HC-SR04实物图，见图2.7：图2.7HC-SR04超声波模块的使用方法也相对较为简单，当控制口发出一个大于等于10us的高电平时，接收口就可以等待到一个高电平的输出。从这个输出高电平出现开始，定时器开始计时工作，当接收口处的高电平转变为低电平的时候，关闭定时器并读取定时器所测量出的数值，这个数值就是此次测距工作所耗费的时间，通过这个时间数值可以计算得出桶内垃圾与垃圾桶边沿之间的距离[12]。电路图见图2.8：图2.8基本参数：●工作电压：DC5V●工作电流：15mA●工作频率：40Hz●最远射程：4m●最近射程：2cm超声波时序图，见图2.9：图2.9特点：●抗干扰能力强●低工作电压●可设置自动应答，确保数据可靠传输●通过SPI总线与单片机进行交互，最大通信速率为10Mbps2.5重力测量模块本设计中，采用重力测量模块对垃圾桶内的垃圾进行称重测量，根据普遍饱和垃圾桶的重量规律对称重模块设置重量限定值，当垃圾桶中垃圾达到该重量时，称重模块将信号传回单片机，再通过无线传输模块将该数据发送至智能小车，从而对智能垃圾机处理小车进行调动，处理垃圾。本设计选择HX711模块与压力传感器相结合作为垃圾桶的称重模块，将其以底座的形式放置于垃圾桶下方进行称重工作[13]。实物见图2.10图2.10HX711芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号都是通过管脚来驱动,不需要对芯片内部的寄存器进行进一步的编程[14]。芯片内部提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的数模转换器提供电源，这样的构造意味着本设计的系统板上不需要再另外设计安装其他的模拟电源。该芯片内的时钟振荡器也不需要任何外接器件,上电即可自动复位。该芯片的这种设计大大简化了开机后需要进行的初始化过程，让程序的编写变的更加的简单，同时该芯片发展较为成熟，市面上可查的资料也十分丰富，这样为我们在开发中的学习和操作提供了很大的便利[15]。其原理图如图2.11图2.11HX711管脚说明如图2.12图2.123软件设计与实现在本次毕业设计中，硬件模块的内部程序编写主要分为主程序部分、超声波程序部分、重力测量程序部以及无线传输程序部分。3.1主程序设计在整个设计中，硬件部分分为了两个部分：智慧垃圾桶部分与智能垃圾车部分，这两个部分各自使用了一个STM32最小系统板[4]，两部分通过NRF无线传输模块相互连接。垃圾桶部分启动后，超声波模块和重力测量模块检测垃圾桶内距离数据与重量数据，并将其传输至主控板出，由主控板进行处理判断，并将满溢数据通过NRF无线传输模块传输至智能垃圾车部分。智能垃圾车启动后，等待接收数据，当有满溢数据传入后，主控板分析判断并由循迹模块根据路线行驶至满溢垃圾桶处。两部分流程图见下图3.1循迹模块NRF1接收数据循迹模块NRF1接收数据单片机1接收数据开始初始化NRF2传输数据超声波模块单片机2接收数据重力检测模块OLED显示初始化开始垃圾桶部分流程图（b）垃圾车部分流程图图3.13.2NRF无线传输NRF24L01是单向通讯的也就是半双工通信，而我们需要主机先向分机发送消息再接收分机的命令——即先将主机NRF24L01设置成发送模式，确定分机的ACK信号（分机接收成功信号）后立刻转换为接收模式等待分机命令，待分机命令执行后再转换成发送模式，同样分机是先等待主机请求，然后转换成发送模式发送控制命令。本设计的NRF无线传输模块分别位于垃圾桶部分与垃圾车部分。3.2.1垃圾车部分在垃圾车上安装的NRF模块负责接收垃圾桶部分NRF模块传输过来的数据，并将该数据传输给垃圾级车上的核心控制系统。在这一部分的程序中，NRF首先进行初始化工作，然后通过LED灯判断其是否存在，若存在，则将该NRF的工作模式设置为接收模式，等待接收垃圾桶部分传递的数据，并将其传输至单片机[6]。该程序流程图如下图3.2NRF存在？NRF存在？接收信号STM32开始NRF初始化LED亮设置为接收模式是否图3.2部分程序如图3.2.1图3.2.13.2.2垃圾桶部分在垃圾桶部分，当单片机接收到垃圾桶饱和的信号后，发送数据，通过NRF将该饱和数据传递至垃圾处理车部分，调动垃圾处理车前来处理垃圾。在该部分的程序中，首先进行NRF的初始化工作，然后对其存在与否用LED灯进行判别，若检测到存在，则将NRF的工作模式设置为发送模式，当接收到单片机传输的饱和数据后，将该数据发送至垃圾车部分，由垃圾车上接收模式的NRF获取[8]。该程序流程图如下图3.2.2开始开始NRF初始化NRF存在？设置为发送模式LED亮发送数据否是图3.2.23.3重量检测本设计通过HX711模块与压力传感器结合，达到对垃圾桶内垃圾进行重力测量的目的，从而通过重量对垃圾桶的饱和程度进行判断。HX711模块的使用及编程方法较为简单，在编写程序的过程中只需要将主控单片机上的两个普通IO口与该芯片的DOUT、PD_SCK引脚相连接，并根据其时序图进行程序编写即可。首先需要将HX711初始化，当该称重模块获得重量后，将重量转化并通过OLED显示,当称重模块上放置的垃圾桶的重量达到设定的限定值时，单片机将该数据通过无线传输模块将发送给小车[13]。该程序流程图见图3.3开始开始OLED显示HX711初始化获得重量重量转化单片机接收数据图3.33.4超声波检测超声波模块在本设计中是必不可少的，为垃圾桶进行验满的模块，需要利用其声波测距原理，判断垃圾桶容量是否即将达到饱和[9]。本设计使用的HC-SR04超声波模块基本工作原理如下：HC-SR04超声波模块使用IO口TRIG触发测距，首先提供大于等于10us的高电平信号，该超声波模块会自动发送8个40khz的方波，并且检测是否有信号返回；当检测到有信号返回时，通过IO口ECHO输出一个高电平，此时打开定时器开始计时工作，当该信号消失后，定时器停止工作不再计时，此时，通过定时器计数所得到的时间数值，就是超声波信号从发射到返回所耗费的时间。该时间数据可用来确定需要测量的距离[12]。其流程图如下图3.4：开始开始初始化OLED显示计算距离读取接收端信号发射超声波信号图3.44系统调试与实现本次毕业设计的整体设计搭建分为两部分，第一部分的工作是电路的焊接与调试，第二部分的工作是程序的编写与调试。4.1硬件搭建与调试一开始是硬件部分的搭建，在本设计中，硬件部分分为垃圾桶部分和垃圾处理小车部分。对于垃圾处理车部分，本设计用到了小车底板，STM32单片机最小系统板，循迹模块以及NRF无线传输模块;在垃圾桶部分，本设计用到的硬件模块包括三个垃圾桶模型，超声波模块，重力测量模块，OLED显示模块以及NRF无线传输模块。在硬件的搭建过程中，首先就是焊接问题，在本设计初次焊接的时候，由于技术的不熟练，许多焊点都出现了虚焊的问题，这一问题的出现导致硬件部分无法正常使用，也是的后期检查的工作量大幅增加。其次就是连线问题，焊接在板子上的器件需要通过导线将其管脚连接在一起，而在连线的过程中，由于没有太多的实践经验，线路的连接十分混乱，很难分辨出连线的管脚，也为后期的检查工作增加了难度。在硬件搭建工作完成后，硬件电路的检查工作还是需要循规蹈矩一步一步的来做。首先，要按照各个模块的原理图对电路的连线进行检查，每一条连线都需要认真的检查，以确保每一个地方都没有错线，开路，短路等问题，这一步是检查电路最基础的工作，也是最为重要的工作之一。其次，就是通电检查，用电笔检查掉电模块出现的问题，这些问题有可能是金属孔老化，有可能是插件接触不良，有可能是布局走线不合理，也有可能是电解电容安装方向的错误等，若是检查出问题，需要及时修改补救。4.2软件编程与调试由于硬件部分分为智慧垃圾用与智能垃圾处理小车两部分，且各自拥有独立的单片机控制模块，因此程序的编写也分为两部分。在本次毕业设计编写程序的过程中，选择使用keil5对程序进行编写调试。调试程序比调试硬件来的更加繁琐，也更加耗时，在程序编写的过程中，总是会出现各式各样的错误，也总会碰见千奇百怪的问题。首先进行编译查错，检查语句格式、函数名的定义、函数的调用、字符未使用以及字符使用错误等问题，这类问题的修改还是相对较为简单明了的。其次，检测收集到的相关数据，通过输出函数，对照每一步程序执行所得出的结果，检查输入输出的数据是否正确，并对这些数据进行组织整理，以发现其中的规律。最后一步也是最麻烦的一步，在程序调试到了完全准确无误的情况下，把程序烧写至单片机上运行时，却依然出现了错误，这种情况应该是出现了语言逻辑错误，需要将主要程序从头至尾认真检查一遍，寻找错误并改正。这点完全体现出了模块化编程的重要性，否则此时的查错，就会导致工作量大幅增加。5总结在设计搭建并完善本次毕业设计的过程中，我运用了许多在课堂中所学到的知识，也查找了许多课外的知识数据，使我受益匪浅，收获颇丰；也遇到了各式各样的错误与问题，在解决这些问题改正这些错误的过程中，我自己也在不断的汲取知识，不断的进步。本论文研究了基于物联网的智慧垃圾处理系统的设计，由最终的测试结果可以知道，该设计初步满足了自动验满并找寻已达饱和垃圾桶的功能：上电之后，各个模块开始运作，当垃圾桶边沿上安装的超声波模块检测到桶内垃圾与垃圾桶边沿的距离达到限定值时，通过STM32及无线传输模块将该数据传输至智能小车，小车在接收到数据之后做出判断选择路线，驱动循迹模块，前往即将达到饱和的垃圾桶所在地处理垃圾，并在处理结束后返回原处；当重力测量模块上的垃圾桶重量达到限定重量值时，后续操作与之相同。在足以达到目标要求的情况下，我们尽量选择了成本相对较低的芯片模块，以确保整体制造成本在可控范围之内，提高性价比。在成本相对较低的情况下，提高城市环卫清洁工作的效率，减少环卫工人的人力消耗，确保城市环境的美丽整洁。参考文献聂壮壮,李伟恒,冯海杰,杨书豪,刘忠途.基于物联网的智能垃圾桶[J].物联网技术,2021,11(03):62-63+67.梅吟松,王雯雯,陆庆文,王涛.放置在公共场所的可翻盖和及时清理的智能垃圾桶设计[J].科技创新导报,2020,17(10):87-88.赵晓铜,樊英博,胡欣宇,许楠,李鹏飞.基于STM32的智能垃圾桶[J].中国新通信,2020,22(10):81.杨帆,雷迪.基于STM32设计的避障小车[J].制造业自动化,2021,43(03):40-43+59.李怀宇.基于STM32的避障小车设计[J].科技视界,2018,1(1):191-193卢娜,李海涛.基于STM32的无线智能视频小车[J].商丘职业技术学院学报,2018,17(4):77-79.曲镇帮,田江伟,郑琳.基于nrf2401的无线数据传输系统的设计与实现[J].卫星电视与宽带多媒体,2019(05):14-15.陈城,李瑞祥,刘婷婷,刘毅.基于nRF24L01的无线数据传输系统研究[J].电子科技,2016,29(11):22-24+27.张雨露.基于nRF24L01的超声波无线测距系统[J].数码世界,2017(08):80.雷鸿逸,刘思敏,何垚锜.智能垃圾桶[J].学苑创造(7-9年级阅读),2020(12):9.冰尘.智能垃圾桶[J].兵团建设,2009(20):26.李杜.基于HC_SR04的超声波测距装置算法研究[J].科技视界,2012(28):217+221.邱麦迪,任芳,蒋飞.基于STM32的电子称重系统的设计与实现[J].中国仪器仪表,2020(07):73-76.葛海江.基于HX711的高精度电子称重研究[J].电子测试,2019(10):31-32.卢群,何东升,周春欣,薛玉利,刁广强,洪亭轩.基于单片机的多功能智能行李箱设计[J].物联网技术,2020,10(03):99-100+104.附录垃圾桶部分设计实物图如下：设计主程序：#include"sys.h"uint8_tmytime=0;uintPM2_5=0;uintcount=0;uintSweep_mode=0;uintSweep_falg=0;uint8_tX=0;uint8_tY=0;uint8_tnowX=0;uint8_tnowY=0;uint8_trun_falg=0;uint8_tNRFRXDBuff[32]={0};//NRF接收数组charDHStr[20]={0};charHC05SEND[200]={0};//蓝牙发送数组charlsstr[50]={0};intmain(void){ delay_init(); delay_ms(180); uart1_init(9600); uart2_init(9600); PWM_Init();//电机初始化 motor_Init(); TB6612_IO_Init(); delay_ms(100); HC05_Init();//蓝牙初始化 HW_IO_Init(); gpio_Init(); NRF24L01_Init(); //NRF初始化 if(NRF24L01_Check())LED=0;//检测NRF是否存在，不存在点亮LED NRF24L0