基于ARM架構智能引導垃圾分類回收站的設計與分析
「隨著人們生活中每天都產生大量的生活垃圾，垃圾分類處理勢在必行。但是當下總會暴露出垃圾分類無效、人們分類意識低、分類后的垃圾得不到有效的處理等問題。針對這些問題本文提出了一種在物聯網技術的加持下基于ARM架構的智能引導垃圾分類回收機制，取代了原有的傳統垃圾回收機制，提高了人們的分類意識、垃圾分類回收的利用率。(2023-2-25)」
關鍵詞：垃圾分類 物聯網 智能回收
中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0104-03
Abstract： With the daily production of a large number of household garbage， garbage classification is imperative. But at present， there are always some problems， such as invalid garbage classification， low classification awareness， and ineffective disposal of classified garbage. In order to solve these problems， this paper proposes an intelligent guided garbage sorting and recycling mechanism based on ARM architecture under the support of Internet of things technology， which replaces the traditional garbage recycling mechanism and improves people's classification awareness and garbage sorting and recycling utilization rate.
Key Words： Refuse classification;Internet of things;Intelligent recovery
隨著人類社會文明的發展與進步，人們生活中每天都會產生大量的垃圾。而這些垃圾卻像是存在于人們生活中的一個定時炸彈，時時困擾著人們的生活。每一代城市的領導者都無不思考著如何解決這一問題。而如今這個問題卻遲遲未能得到很好的解決。隨著城鄉居民生活水平的不斷提高。日常分類垃圾處理的問題受到人們廣泛的關注。當前，我國城市每年產生上億噸的生活垃圾，人均產生的垃圾量約近百公斤，而且增長勢頭不減，近幾年正在飛速的增長中。
據有關資料顯示，我國的大多數城市近三分之二都是被垃圾所“包圍”，嚴重威脅了人們的生活質量。而其中存在一個很大的問題是，人們在日常生活中不能有效的進行垃圾分類，從而導致垃圾的回收與擺放臟亂無序，街道上到處存在垃圾。
而本文就這一問題進行了深入研究，通過物聯網技術構建一套基于ARM架構的針對垃圾回收分類的系統，取代傳統分類垃圾箱，替代傳統回收方式，使城市傳統臟亂的垃圾回收站減少;培養人們環保意識，使更多的人參與到垃圾分類處理的事業中來;減少我國垃圾對空氣環境的污染，讓人類社會更加綠色、環保。
1 硬件設計
智能分類回收垃圾箱主要投放在人們日常生活中的主要公共場所，是一款能夠幫助人們有意識的對垃圾進行分類投擲，并且通過根據所投放垃圾的價值進行獎勵的分類回收垃圾箱。其主要功能包括用戶交互、投放監控、投放檢測、日常運維。箱體機械部分主要包含紅外檢測模塊、高度檢測模塊、舵機模塊、電源模塊、自動開光蓋機械模塊等其他主要部件有限元模塊。整體將采用物聯網技術實現App—機器—網絡之間的交互性操作。單片機獲取事時系統數據應用算法加密通過LTE網絡上傳服務器。
智能分類回收垃圾箱通過實現箱體和人們的手機終端等設備的相互連接，將數據上傳到云端，通過投放檢測等功能實現獎勵機制，再相關傳感器提示運維人員對垃圾箱進行定期清理，將分類好的垃圾廢物移交給相關廢品處理機構進行綠色回收再利用等工作。箱體操作流程如圖1所示。
2 智能引導垃圾分類回收站系統架構
智能引導垃圾分類回收站的系統架構由微信小程序端、后臺管理中心、云服務器、垃圾箱箱體掃碼開箱鎖組成。微信小程序端主要負責面向用戶界面的交互，完成客戶端的功能。因為微信小程序具有跨平臺、流量大、成本低、輕應用、高體驗的特點;后臺管理中心主要負責實時更新維護文本、視頻等信息，信息通過信息中心推送到智能終端，最后實現個體用戶與智能終端之間的交互、瀏覽文本等信息的功能;云服務器是整個系統的調控計算平臺，為管理人員與小程序端提供服務，響應用戶與管理人員的操作;垃圾箱箱體掃碼開箱鎖內部可集成GPS系統和帶有SIM卡。從而實現箱體所在位置和鎖的狀態傳輸給云端。經過接口與無線網絡連接，可以實現用戶與箱體和箱體與箱體間的對話與溝通。該系統框架如圖2所示。系統的功能流程如圖3所示。
3 智能引導垃圾分類回收站系統設計
3.1 用戶權限模塊
本系統的設計流程是：用戶使用微信小程序通過掃碼與垃圾箱取得聯系->開箱->投擲->箱體對投擲的物品進行初步檢測->關箱->通過服務器反饋的信息對用戶投擲的結果進行反饋->服務器響應用戶使用記錄并保存在數據庫中。期間管理員需要定期對不同分類垃圾箱進行定期收集以及清理，清潔與運輸，最后進行后期處理。因此本系統的用戶權限管理模塊如圖4所示。分為普通用戶和管理員，分別對垃圾分類投擲、視頻監控管理、垃圾分類檢測、二維碼與積分查詢服務、清潔維護服務進行有效的控制和管理。 3.2 系統管理后臺模塊
用戶管理與安全校驗模塊：管理用戶各類信息、用戶權限、安全校驗等。
投遞檢測模塊：通過配合各類攝像頭及傳感器記錄每個用戶的投擲時間、投擲次數、投擲垃圾的類別等情況。
積分管理模塊：記錄每個用戶的積分情況與賞金的獲取及兌換記錄。
垃圾箱監控模塊：監控垃圾箱的投擲數量、破損情況、運維情況、滿箱情況等。
二維碼應用模塊：小程序通過實時更新二維碼與箱體的識別攝像頭進行交互，并收集掃碼記錄等數據。
數據同步模塊：將數據采集、檢索、存儲、查詢等情況同步到服務器上，并對數據實行實時同步更新。
3.3 基于物聯網的垃圾分類回收設計
設計的垃圾分類回收體系物聯網平臺劃分為三個層：應用層、數據網絡層、感知層。
應用層：是將物聯網技術與相關拓展領域相結合，比如城市管理、環境檢測、公共安全、智能交通等。物聯網技術通過應用層最終實現行業專業技術與信息技術的深度結合。
數據網絡層：該層包括管理中心、決策分析、信息中心、專家系統等對大量的數據進行收集、傳輸、調度、智能處理。
感知層：又稱為傳感器層，主要包括傳感器、RFID讀寫器和標簽、終端、傳感器網絡與網關等。這一層主要針對目標對象進行感知、識別與處理，并通過相關傳感器采集信息�；谖锫摼W技術的垃圾分類回收系統體系架構如圖5所示。
3.4 端口設計
云端：云服務器是整個系統的調控計算平臺，為管理人員與小程序端提供服務，響應用戶與管理人員的操作。小程序發送HTTP請求到云服務器，解析云服務器返回的JSON數據，下發藍牙控制信息，經箱體藍牙MCU處理后，最終達到垃圾箱體門的開閉功能。藍牙箱體鎖也可通過串口向藍牙模塊輸出藍牙信息，小程序響應藍牙信息，最終實現小程序端與硬件控制部分的雙向通信。
用戶端與箱體端：用戶在注冊登錄成功后，進入掃碼界面;打開手機藍牙，匹配箱體藍牙，終端后臺將用戶反饋信息和垃圾箱的反饋信息上傳到云服務器;用戶點擊開始掃碼使用垃圾箱，云服務器接收到請求后，記錄用戶信息和垃圾箱信息，并返回開箱密鑰給小程序端，通過藍牙與箱體通信打開箱體。當箱體關閉后，藍牙將已鎖狀態發送給小程序端，小程序界面結束使用箱體，若中途斷開藍牙，則結束使用箱體后界面無法進行操作。
垃圾箱的箱體開鎖內部可集成GPS系統和帶有SIM卡。從而實現箱體所在位置和鎖的狀態傳輸給云端。所謂SIM卡它屬于物聯網SIM卡，它是通過裝置在各類物體上的SIM卡，經過接口與無線網絡連接，從而實現人與物體和物體與物體間的溝通和對話。
3.5 數據層設計
數據層主要包括三個部分：垃圾桶滿箱狀態響應、管理員數據存儲、環衛相關工作人員決策分析。垃圾桶滿箱狀態響應主要負責對垃圾桶上報的滿箱或者處理異常做出相應響應;管理員數據存儲則負責保存垃圾箱歷史處理記錄信息、垃圾箱管理員部署環衛工人信息以及用戶使用記錄信息;環衛相關工作人員決策分析負責整個垃圾箱涉及范圍之內的環衛維護數據等，由環衛工作提出建議與決策，供管理人員和環衛相關工作人員參考。
數據層用于接收各個垃圾箱往云端上傳的數據信息。一般垃圾箱的工作狀態有兩種：第一是正常工作狀態，則及時更新垃圾箱工作狀態表。第二種是工作異常狀態，比如出現滿箱、感知層無法感知即垃圾箱工作狀態異常等情況。這個時候后臺管理中心將從云端收獲到垃圾箱的異常信息，從而及時通知相關負責該區域的環衛工人進行處理。利用垃圾箱的工作狀態表、垃圾箱部署位置信息與環衛工人運維信息采用數據挖掘算法，為管理員做出決策提供參考。
4 結語
本文針對城市垃圾問題，提出了基于ARM架構的智能引導垃圾分類回收站，有效的解決了垃圾浪費和人們分類投擲垃圾的不自覺性等問題。利用了物聯網技術，取代傳統分類垃圾箱，替代傳統回收方式，使城市傳統臟亂的垃圾回收站減少;培養人們環保意識，讓更多的人參與到推動人們有意識進行垃圾分類的事業中來;減少我國垃圾對空氣環境的污染，讓人類社會更加綠色、環保。在互聯網加持下使分類垃圾回收機構朝著合理、干凈、機械化方向發展。
參考文獻
[1] 付建麗，李炳俊.優化垃圾處理技術加強環衛循環經濟發展[J].環境衛生工程，2009，17（4）：37.
[2] 葉志祥.智能分類垃圾箱設計研究[J].中國資源綜合利用，2019，37（4）.
[3] 周鵬.物聯網技術及應用研究[J].科學與信息化，2019（5）.
[4] 陳琳，任芳.基于Python的新浪微博數據爬蟲程序設計[J].信息系統工程，2016（9）：97-99.
[5] 王振武.數據挖掘算法原理與實現[M].2版.北京：清華大學出版社，2017.
[6] 鄭阿奇，梁敬東，朱毅華，等.C#程序設計教程[M].北京：機械工業出版社，2007.
[7] 李秀麗，周明遠，樊麗，等.基于物聯網的城市垃圾分類回收系統研究[J].工業安全與環保，2014，40（7）：64-66.
(權先)
中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0104-03
Abstract： With the daily production of a large number of household garbage， garbage classification is imperative. But at present， there are always some problems， such as invalid garbage classification， low classification awareness， and ineffective disposal of classified garbage. In order to solve these problems， this paper proposes an intelligent guided garbage sorting and recycling mechanism based on ARM architecture under the support of Internet of things technology， which replaces the traditional garbage recycling mechanism and improves people's classification awareness and garbage sorting and recycling utilization rate.
Key Words： Refuse classification;Internet of things;Intelligent recovery
隨著人類社會文明的發展與進步，人們生活中每天都會產生大量的垃圾。而這些垃圾卻像是存在于人們生活中的一個定時炸彈，時時困擾著人們的生活。每一代城市的領導者都無不思考著如何解決這一問題。而如今這個問題卻遲遲未能得到很好的解決。隨著城鄉居民生活水平的不斷提高。日常分類垃圾處理的問題受到人們廣泛的關注。當前，我國城市每年產生上億噸的生活垃圾，人均產生的垃圾量約近百公斤，而且增長勢頭不減，近幾年正在飛速的增長中。
據有關資料顯示，我國的大多數城市近三分之二都是被垃圾所“包圍”，嚴重威脅了人們的生活質量。而其中存在一個很大的問題是，人們在日常生活中不能有效的進行垃圾分類，從而導致垃圾的回收與擺放臟亂無序，街道上到處存在垃圾。
而本文就這一問題進行了深入研究，通過物聯網技術構建一套基于ARM架構的針對垃圾回收分類的系統，取代傳統分類垃圾箱，替代傳統回收方式，使城市傳統臟亂的垃圾回收站減少;培養人們環保意識，使更多的人參與到垃圾分類處理的事業中來;減少我國垃圾對空氣環境的污染，讓人類社會更加綠色、環保。
1 硬件設計
智能分類回收垃圾箱主要投放在人們日常生活中的主要公共場所，是一款能夠幫助人們有意識的對垃圾進行分類投擲，并且通過根據所投放垃圾的價值進行獎勵的分類回收垃圾箱。其主要功能包括用戶交互、投放監控、投放檢測、日常運維。箱體機械部分主要包含紅外檢測模塊、高度檢測模塊、舵機模塊、電源模塊、自動開光蓋機械模塊等其他主要部件有限元模塊。整體將采用物聯網技術實現App—機器—網絡之間的交互性操作。單片機獲取事時系統數據應用算法加密通過LTE網絡上傳服務器。
智能分類回收垃圾箱通過實現箱體和人們的手機終端等設備的相互連接，將數據上傳到云端，通過投放檢測等功能實現獎勵機制，再相關傳感器提示運維人員對垃圾箱進行定期清理，將分類好的垃圾廢物移交給相關廢品處理機構進行綠色回收再利用等工作。箱體操作流程如圖1所示。
2 智能引導垃圾分類回收站系統架構
智能引導垃圾分類回收站的系統架構由微信小程序端、后臺管理中心、云服務器、垃圾箱箱體掃碼開箱鎖組成。微信小程序端主要負責面向用戶界面的交互，完成客戶端的功能。因為微信小程序具有跨平臺、流量大、成本低、輕應用、高體驗的特點;后臺管理中心主要負責實時更新維護文本、視頻等信息，信息通過信息中心推送到智能終端，最后實現個體用戶與智能終端之間的交互、瀏覽文本等信息的功能;云服務器是整個系統的調控計算平臺，為管理人員與小程序端提供服務，響應用戶與管理人員的操作;垃圾箱箱體掃碼開箱鎖內部可集成GPS系統和帶有SIM卡。從而實現箱體所在位置和鎖的狀態傳輸給云端。經過接口與無線網絡連接，可以實現用戶與箱體和箱體與箱體間的對話與溝通。該系統框架如圖2所示。系統的功能流程如圖3所示。
3 智能引導垃圾分類回收站系統設計
3.1 用戶權限模塊
本系統的設計流程是：用戶使用微信小程序通過掃碼與垃圾箱取得聯系->開箱->投擲->箱體對投擲的物品進行初步檢測->關箱->通過服務器反饋的信息對用戶投擲的結果進行反饋->服務器響應用戶使用記錄并保存在數據庫中。期間管理員需要定期對不同分類垃圾箱進行定期收集以及清理，清潔與運輸，最后進行后期處理。因此本系統的用戶權限管理模塊如圖4所示。分為普通用戶和管理員，分別對垃圾分類投擲、視頻監控管理、垃圾分類檢測、二維碼與積分查詢服務、清潔維護服務進行有效的控制和管理。 3.2 系統管理后臺模塊
用戶管理與安全校驗模塊：管理用戶各類信息、用戶權限、安全校驗等。
投遞檢測模塊：通過配合各類攝像頭及傳感器記錄每個用戶的投擲時間、投擲次數、投擲垃圾的類別等情況。
積分管理模塊：記錄每個用戶的積分情況與賞金的獲取及兌換記錄。
垃圾箱監控模塊：監控垃圾箱的投擲數量、破損情況、運維情況、滿箱情況等。
二維碼應用模塊：小程序通過實時更新二維碼與箱體的識別攝像頭進行交互，并收集掃碼記錄等數據。
數據同步模塊：將數據采集、檢索、存儲、查詢等情況同步到服務器上，并對數據實行實時同步更新。
3.3 基于物聯網的垃圾分類回收設計
設計的垃圾分類回收體系物聯網平臺劃分為三個層：應用層、數據網絡層、感知層。
應用層：是將物聯網技術與相關拓展領域相結合，比如城市管理、環境檢測、公共安全、智能交通等。物聯網技術通過應用層最終實現行業專業技術與信息技術的深度結合。
數據網絡層：該層包括管理中心、決策分析、信息中心、專家系統等對大量的數據進行收集、傳輸、調度、智能處理。
感知層：又稱為傳感器層，主要包括傳感器、RFID讀寫器和標簽、終端、傳感器網絡與網關等。這一層主要針對目標對象進行感知、識別與處理，并通過相關傳感器采集信息�；谖锫摼W技術的垃圾分類回收系統體系架構如圖5所示。
3.4 端口設計
云端：云服務器是整個系統的調控計算平臺，為管理人員與小程序端提供服務，響應用戶與管理人員的操作。小程序發送HTTP請求到云服務器，解析云服務器返回的JSON數據，下發藍牙控制信息，經箱體藍牙MCU處理后，最終達到垃圾箱體門的開閉功能。藍牙箱體鎖也可通過串口向藍牙模塊輸出藍牙信息，小程序響應藍牙信息，最終實現小程序端與硬件控制部分的雙向通信。
用戶端與箱體端：用戶在注冊登錄成功后，進入掃碼界面;打開手機藍牙，匹配箱體藍牙，終端后臺將用戶反饋信息和垃圾箱的反饋信息上傳到云服務器;用戶點擊開始掃碼使用垃圾箱，云服務器接收到請求后，記錄用戶信息和垃圾箱信息，并返回開箱密鑰給小程序端，通過藍牙與箱體通信打開箱體。當箱體關閉后，藍牙將已鎖狀態發送給小程序端，小程序界面結束使用箱體，若中途斷開藍牙，則結束使用箱體后界面無法進行操作。
垃圾箱的箱體開鎖內部可集成GPS系統和帶有SIM卡。從而實現箱體所在位置和鎖的狀態傳輸給云端。所謂SIM卡它屬于物聯網SIM卡，它是通過裝置在各類物體上的SIM卡，經過接口與無線網絡連接，從而實現人與物體和物體與物體間的溝通和對話。
3.5 數據層設計
數據層主要包括三個部分：垃圾桶滿箱狀態響應、管理員數據存儲、環衛相關工作人員決策分析。垃圾桶滿箱狀態響應主要負責對垃圾桶上報的滿箱或者處理異常做出相應響應;管理員數據存儲則負責保存垃圾箱歷史處理記錄信息、垃圾箱管理員部署環衛工人信息以及用戶使用記錄信息;環衛相關工作人員決策分析負責整個垃圾箱涉及范圍之內的環衛維護數據等，由環衛工作提出建議與決策，供管理人員和環衛相關工作人員參考。
數據層用于接收各個垃圾箱往云端上傳的數據信息。一般垃圾箱的工作狀態有兩種：第一是正常工作狀態，則及時更新垃圾箱工作狀態表。第二種是工作異常狀態，比如出現滿箱、感知層無法感知即垃圾箱工作狀態異常等情況。這個時候后臺管理中心將從云端收獲到垃圾箱的異常信息，從而及時通知相關負責該區域的環衛工人進行處理。利用垃圾箱的工作狀態表、垃圾箱部署位置信息與環衛工人運維信息采用數據挖掘算法，為管理員做出決策提供參考。
4 結語
本文針對城市垃圾問題，提出了基于ARM架構的智能引導垃圾分類回收站，有效的解決了垃圾浪費和人們分類投擲垃圾的不自覺性等問題。利用了物聯網技術，取代傳統分類垃圾箱，替代傳統回收方式，使城市傳統臟亂的垃圾回收站減少;培養人們環保意識，讓更多的人參與到推動人們有意識進行垃圾分類的事業中來;減少我國垃圾對空氣環境的污染，讓人類社會更加綠色、環保。在互聯網加持下使分類垃圾回收機構朝著合理、干凈、機械化方向發展。
參考文獻
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[7] 李秀麗，周明遠，樊麗，等.基于物聯網的城市垃圾分類回收系統研究[J].工業安全與環保，2014，40（7）：64-66.
(權先)