一、項(xiàng)目概述

1.1引言

隨著科技發(fā)展的日新月異，生活垃圾已經(jīng)成為影響環(huán)境，影響人類生活，甚至影響人類生存環(huán)境的重要因素。大街小巷，旅游景點(diǎn)，校園內(nèi)部到處充斥著人類的生活垃圾，垃圾桶已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的必備用品，每天長(zhǎng)千上萬(wàn)個(gè)環(huán)衛(wèi)工人，垃圾回收車輛忙碌在回收處理垃圾的第一線。回收處理垃圾是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，每天需耗費(fèi)大量的人力物力，然而有些垃圾桶卻不一定裝滿，卻也被回收，由此造成了對(duì)車輛人員油料的極大浪費(fèi)。尤其是旅游景點(diǎn)，山路之上的垃圾桶，準(zhǔn)確掌握這些垃圾桶的存儲(chǔ)狀況，對(duì)于節(jié)省人力物力將具有明顯的效果。

在這種需求之下，智能垃圾桶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。智能垃圾桶報(bào)警系統(tǒng)采用傳感器檢測(cè)垃圾桶存儲(chǔ)狀況，并將之傳送到垃圾處理中心，及時(shí)掌握垃圾桶存儲(chǔ)狀況，準(zhǔn)確處理垃圾。首先，垃圾桶中的智能傳感器將檢測(cè)垃圾桶的存儲(chǔ)狀況，如果垃圾桶已經(jīng)裝滿，將通過(guò)無(wú)線智能模塊將垃圾桶的存儲(chǔ)狀況發(fā)送到垃圾回收處理中心，垃圾處理中心再根據(jù)情況及時(shí)派出人員處理垃圾，做到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，節(jié)省人力物力。

1.2創(chuàng)新點(diǎn)

(1)利用可再生資源-太陽(yáng)能作為系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，既節(jié)能又可靠。

(2)將語(yǔ)音直接下載到語(yǔ)音儲(chǔ)存電路內(nèi)方便快捷;

(3)將Zigbee技術(shù)應(yīng)用于垃圾桶遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)，它可以自組網(wǎng)絡(luò)。

(4)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送信息，可靠快速。

二、需求分析

2.1功能要求

智能垃圾桶遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)主要由RFD(簡(jiǎn)易功能設(shè)備)和FFD(全功能設(shè)備)

RFD主要由電源模塊、語(yǔ)音模塊、系統(tǒng)主控模塊、Zigbee模塊、傳感器模塊五大部分組成。

(1)電源模塊

系統(tǒng)電源模塊有兩塊蓄電池，一塊太陽(yáng)能接收板，有陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能接收板向蓄電池充電，同時(shí)為整個(gè)電路提供電源，陰天或光線不好時(shí)，蓄電池為整個(gè)電路提供電源。

(2)語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊主要由音頻下載電路、語(yǔ)音存儲(chǔ)電路以及音頻功放電路三部分組成。語(yǔ)音模塊主要完成以下三種功能：

①能夠?qū)⒄Z(yǔ)音通過(guò)USB下載入存儲(chǔ)模塊;

②當(dāng)有人靠近一定距離時(shí)，語(yǔ)音模塊自動(dòng)提示;

③當(dāng)人離開(kāi)一定距離時(shí)，語(yǔ)音模塊再次啟動(dòng)提示。

本裝置通過(guò)USB接口將MP3格式的提示音頻信息下載至語(yǔ)音存儲(chǔ)電路中。通過(guò)外放模塊進(jìn)行播報(bào)。基于本模塊的應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)選用了側(cè)重于音頻信號(hào)處理的基于AT32UC3A的EVK110開(kāi)發(fā)板作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

(3)系統(tǒng)主控電路

系統(tǒng)主控電路及按鍵顯示模塊主要完成系統(tǒng)頂層的綜合管理、功耗控制和信息存儲(chǔ)等功能，提高系統(tǒng)整體的自動(dòng)化及智能化水平。

本項(xiàng)目采用高性能、低功耗的32位的AVR的AT32UC3A芯片作為系統(tǒng)微控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音模塊﹑zigbee模塊﹑gprs模塊﹑傳感器模塊電路的控制。

(4)zigbee模塊

zigbee模塊主要完成以下兩個(gè)功能：

①自動(dòng)搜索其他的RFD(簡(jiǎn)易功能設(shè)備)，組成星型網(wǎng)絡(luò)。

②把RFD信息傳送到FFD(全功能設(shè)備)。

利用zigbee技術(shù)可以快速，準(zhǔn)確的把信息傳送，節(jié)省了設(shè)備間的連線。

(5)傳感器模塊

①檢測(cè)人扔垃圾的紅外傳感器用紅外壁障傳感器，此傳感器對(duì)環(huán)境光線抗干擾能力很強(qiáng)、是用一對(duì)紅外發(fā)射管與接收管完成探測(cè)距離，發(fā)射管發(fā)射出高頻的紅外線信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到前方有障礙物(反射面)時(shí)，紅外線反射回來(lái)被接收管接收，此時(shí)指示燈亮起，經(jīng)過(guò)電路處理后，輸出低電平信號(hào)，從而觸發(fā)語(yǔ)音提示系統(tǒng)，提醒人們將垃圾分類，人道正確的垃圾箱中。通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器的VR1電位器可以調(diào)節(jié)檢測(cè)的距離。此傳感器的主要性能指標(biāo)如下：

輸入電壓：4.0V -6.0V

輸入電流：小于15mA

輸出方式：數(shù)字量;(有紅外反射信號(hào)反饋時(shí)，輸出低平。)

可調(diào)距離：5cm~40cm、靈敏度高。

可調(diào)發(fā)射頻率：各個(gè)模塊調(diào)節(jié)在不同的發(fā)射頻率，可以同時(shí)使用多個(gè)模塊一起工作，相互不干擾。此傳感器性能穩(wěn)定，工作模式簡(jiǎn)單，是首選選擇。

②垃圾桶內(nèi)用傳感器

采用OS806對(duì)射式紅外傳感器。OS806傳感器有原裝進(jìn)口高發(fā)射的砷化鎵紅外發(fā)射管和高靈敏度的光敏晶體管組成，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體的有無(wú)。而且這種傳感器價(jià)格便宜，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，非常適合在此系統(tǒng)中應(yīng)用。

特點(diǎn)：

1、高可靠性，

2、響應(yīng)速度快，光縫0.5mm，槽寬4mm，腳距9mm.

ⅡFFD主要由電源模塊、zigbee模塊、控制系統(tǒng)模塊、GPRS模塊四大部分組成

GPRS通信模塊

傳送距離遠(yuǎn)

信息傳輸穩(wěn)定

利用移動(dòng)平臺(tái)把區(qū)域內(nèi)垃圾箱的信息傳送到垃圾站。

本項(xiàng)目系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

圖1系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中RFD的構(gòu)架圖如圖2所示：

圖2 RFD架構(gòu)圖

其中FFD的構(gòu)架圖如圖3所示：

圖3 FFD機(jī)構(gòu)架構(gòu)圖

2.2性能要求

本項(xiàng)目要達(dá)到的性能指標(biāo)：

(1)在光線充足的情況下，太陽(yáng)能電池板可在12小時(shí)內(nèi)將兩塊蓄電池充滿電同時(shí)對(duì)整個(gè)電路供電。已充滿電的蓄電池可在無(wú)光線時(shí)，確保垃圾桶檢測(cè)報(bào)警裝置至少正常工作72小時(shí);

(2)經(jīng)音頻功放電路處理，系統(tǒng)可播報(bào)符合實(shí)際要求的語(yǔ)音效果，雜音干擾少;

(3)zigbee模塊功耗低，反應(yīng)靈敏激活發(fā)送僅15ms.能夠自組網(wǎng)絡(luò)，能容納200個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)，廣播的形式發(fā)送信息避免交互應(yīng)答，并且能夠避免信息碰撞。

(4)系統(tǒng)語(yǔ)音存儲(chǔ)電路容量大，具備至少存儲(chǔ)200多個(gè)節(jié)點(diǎn)地址信息和200多個(gè)垃圾箱的信息。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

本設(shè)計(jì)以AVR的AT32UC3A芯片作為微控制器在此基礎(chǔ)上建立FFD和RFD，RFD利用太陽(yáng)能電池板為整個(gè)裝置提供電源，在此基礎(chǔ)上搭建語(yǔ)音模塊、 zigbee模塊、傳感器模塊等外圍電路，構(gòu)成了基于太陽(yáng)能垃圾箱信息系統(tǒng)。當(dāng)有人丟垃圾時(shí)提供語(yǔ)音提示，并把垃圾箱內(nèi)的信息傳送給FFD.實(shí)現(xiàn)垃圾箱的無(wú)人監(jiān)管。FFD利用太陽(yáng)能電池為整個(gè)裝置提供電源在此基礎(chǔ)上搭建zigbee模塊GPRS模塊等構(gòu)建起外圍電路。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，接收RFF傳送來(lái)的垃圾箱信息，并對(duì)信息加以分析，并把分析好的信息傳送到接收終端設(shè)備(手機(jī))。

該系統(tǒng)不僅可以節(jié)省不可再生資源的使用量，更保護(hù)了環(huán)境，同時(shí)語(yǔ)音提示提高了垃圾的分類率，間接的提高了垃圾的回收利用。并且不必要線路連接節(jié)省了設(shè)備開(kāi)支。該系統(tǒng)把信息及時(shí)的傳送給垃圾站，不必要派人專門監(jiān)管，節(jié)省了大量的物理人力，并能保證垃圾箱隨時(shí)處理。

3.2硬件平臺(tái)選用及資源配置

本系統(tǒng)選用基于高性能、低功耗AT32UC3A芯片的EVK110硬件平臺(tái)，主要選用了開(kāi)發(fā)板的USB數(shù)據(jù)傳輸、AT32UC3A控制處理、MP3播放器等功能部分。利用其USB接口下載MP3格式的語(yǔ)音報(bào)站文件至語(yǔ)音存儲(chǔ)模塊，并利用MP3播放器播放信息內(nèi)容，MCU則負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程。利用支持zigbee技術(shù)和GPRS進(jìn)行信息的無(wú)線傳輸

3.3系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件流程主要分為FFD主程序流程圖和RFD流程圖兩部分，RFD系統(tǒng)主程序流程圖主要完成語(yǔ)傳感器信號(hào)的接收、信號(hào)分析、音文件的傳輸與保存、語(yǔ)音提示和zigbee模塊的激發(fā)。FFD主程序流程圖主要完成網(wǎng)絡(luò)管理、信息接收、信息分析和GPRS模塊的激發(fā)。

RFD系統(tǒng)的主流程圖如圖4所示：

圖4系統(tǒng)主程序流程圖

FFD的程序流程圖如圖5所示：

圖5 FFD模塊流程圖

3.4系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

基于Zigbee的垃圾桶遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)主要具有以下功能：

(1)系統(tǒng)電源模塊有兩塊蓄電池，一塊太陽(yáng)能接收板，有陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能接收板向蓄電池充電，同時(shí)供整個(gè)電路用電，陰天或光線不好時(shí)，蓄電池為整個(gè)電路電源

(2)當(dāng)有人靠近扔垃圾時(shí)，雙語(yǔ)語(yǔ)音播報(bào)提示信息;

(3)當(dāng)垃圾桶內(nèi)垃圾已滿時(shí)，檢測(cè)發(fā)送模塊向信息收集模塊發(fā)送信息;

(4)Zigbee網(wǎng)絡(luò)收集各個(gè)垃圾桶的存儲(chǔ)狀況，將信息匯總，經(jīng)過(guò)AVR模塊處理，將信息通過(guò)GPRS發(fā)送出去。

(5)信息處理中心接受發(fā)送的信息，掌握垃圾桶存儲(chǔ)狀況并作出精確處理。