CN109883367A

CN109883367A - 一种基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置

Info

Publication number: CN109883367A
Application number: CN201910191919.6A
Authority: CN
Inventors: 郑尚; 于化龙; 刘伟; 王�琦; 邹海涛; 高尚
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-06-14

Abstract

本发明公开一种基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置及工作方法，本发明采用超声波传感器测量垃圾桶中垃圾深度，采用ZigBee技术控制数据传输，该装置包括超声波传感器模块、处理器模块、无线通信模块、定位模块、电源模块。用户将该装置部署在监控区域内众多的垃圾箱内，各个装置以无线通信的方式形成一个多跳的层级网络系统，并通过显控软件对传感器网络进行参数配置和管理、发布监测任务和收集监测数据，最后以无线方式发送给使用者。本装置具有体积小、价格低廉、测深精度高、可靠性好、安装便利、操作简单等优点，用户能够实时掌握城市垃圾箱的深度信息，提高垃圾清运的效率。

Description

一种基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置

技术领域

本发明属于智能环保技术，具体涉及一种基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置。

背景技术

物联网发展火爆时期，在环保领域利用物联网技术成为势不可挡的趋势。充分依靠科技的力量，以信息化手段支撑行政管理，以互联网+思维创新管理模式，以智慧化分析辅助科学决策，实现生态环境保护高度信息化、现代化和智慧化的管理，形成让政府、企业和市民满意的智慧环保体系。垃圾收集和垃圾箱清理是当前城市环保不可忽略的问题。由于无法实时获取垃圾箱中垃圾容量，传统管理方法只能做到定时、定点、定人。若增大垃圾清理频次，则会多次调派人力和清理车辆，加重环卫负担；若降低垃圾清理频次，则会造成垃圾箱中垃圾外溢问题，增加环境污染。

由此可见，如果能够在垃圾箱内安装检测设置，使得环卫人员能够实时获取垃圾箱内垃圾容量，并自动通知清理，这样既会降低成本、也会及时清理垃圾、美化环境。由于城市中部署大量的垃圾箱，且通常位于缺乏稳定的通信设施的地方，为此，该装置必须具备体积小、价格低廉、电池供电、无线方式等特点。

综上所述，现有垃圾箱管理方法，由于缺少智能化配置，导致不能达到真正的“智慧环保”，进而影响了环卫资源的利用和环境的美化。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置，通过本发明实现垃圾箱内垃圾深度实时获取和传输数据的控制，本发明体积小、操作简单、易于维护，能够有效提高垃圾清运效率、满足检测精度等要求。

技术方案：本发明的一种基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置，包括超声波传感器模块、处理器模块、无线通信模块、定位模块和电源模块组成；所述超声波传感器模块采集和转换垃圾桶内垃圾深度数据信息，然后将深度数据信息传输至处理器模块；所述定位模块获取垃圾箱位置数据信息，并将位置信息传输至处理器模块；所述处理器模块确定超声波传感器模块和定位模块的工作方式，接收两者的数据并传输至无线通信模块；所述无线通信模块负责将处理器的数据编码成无线数据包并发送，将无线数据包进行解码并发送至处理器模块；所述电源模块负责为超声波传感器模块、处理器模块、无线通信模块和定位模块提供运行所需的能量。根据在网络拓扑结构中工作任务，将超声波传感器模块、处理器模块、无线通信模块和定位模块划分为协调器、路由器和终端三种角色。

上述基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置可应用于市政使用最广泛的户外不锈钢垃圾箱，且水平安装于垃圾箱的顶端，壳体材质采用工程塑料，采用IP66防护标准，保证装置正常运行。

进一步的，所述处理器模块解析控制命令并根据该命令确定超声波传感器模块和定位模块的工作方式，融合超声波传感器的深度值和定位模块的经纬度值，建立新的网络或加入已有的网络等；所述无线通信模块采用CSMA/CA机制和随机退避时间竞争使用无线信道，发送无线数据包，同时将接收到的无线数据包解码并传送至处理器；所述定位模块采用GPS模块获取事件发生的位置信息,以保证数据有效性；所述电池模块采用微型可反复充电的电池供电。

进一步的，所述垃圾箱深度检测装置包括两种工作模式：正常模式和报警模式；在正常模式中，处理器模块按照用户指令周期性或单次地上传超声波传感器的测量结果；在报警模式中，只有当垃圾深度值超过预设阈值，处理器模块则会上传测量结果。进一步的，所述垃圾箱深度检测装置中的超声波传感器模块包括三个并排均匀分布的超声波传感器，各个超声波传感器分别获取各自位置处的垃圾深度数据，以获取垃圾箱内垃圾分布的真实数据。为防止人们投掷异物或垃圾分布的不合理，对用户造成决策混乱，本发明采用异常值检测和深度补偿算法，该算法包括以下四种情形：

(A)经过每10秒间隔地多次监测，通过左中右三个超声波传感器分别得出垃圾深度值h_l、h_c、h_r，若该三个数值满足于(h_max-h_min)/H≤5％,h_max＝max{h_l、h_c、h_r},h_min＝min{h_l、h_c、h_r}，其中H为垃圾箱的深度，则判定垃圾箱内垃圾是一种正常分布；在此情形下，若h_l、h_c和h_r值均大于0.8H，装置执行报警操作，用户需要执行清理任务；

(B)经过每10秒间隔地多次监测，通过左中右三个超声波传感器分别得出垃圾深度值h_l、h_c、h_r，若出现h_r＝max{h_l、h_c、h_r}或h_l＝max{h_l、h_c、h_r}情况，则判定垃圾箱内垃圾呈斜面分布；在此情形下，即使h_l或h_r大于0.8H，装置不执行报警操作，用户不执行清理任务；当h_l、h_c、h_r值均大于0.8H，装置执行报警操作，用户需要执行清理任务；

(C)经过每10秒间隔地多次监测，通过左中右三个超声波传感器分别得出垃圾深度值h_l、h_c、h_r，若h_c＝min{h_l、h_c、h_r}，则判定垃圾箱内垃圾呈凹面分布；在此情形下，若h_c<0.8H，装置不执行报警操作，用户不执行清理任务；否则，装置执行报警操作，用户需要执行清理任务；

(D)经过每10秒间隔地多次监测，通过左中右三个超声波传感器分别得出垃圾深度值h_l、h_c、h_r，若h_c＝max{h_l、h_c、h_r}，则判定垃圾箱内垃圾凸面分布；在此情形下，若h_c>0.8H，装置便执行报警操作，用户需要执行清理任务；否则，装置不执行报警操作，用户不需要执行清理任务。

进一步的，根据装置在网络拓扑结构中工作任务，可以将装置划分为协调器、路由器和终端三种角色。所述协调器负责建立和形成网络，路由器和终端依次加入网络，用户通过协调器对网络参数进行配置和管理、发布监测任务至路由器、收集来自于路由器的监测数据；所述路由器除了执行垃圾深度检测任务外，还要转发来自协调器的控制命令至终端、收集来自终端的数据、进行数据融合后发送至协调器；所述终端只负责采集垃圾箱内垃圾深度值，并发送给路由器。不同类型转置相配协调配合，最终形成多跳的无线传感器网络。

进一步的，所述网络通信模式包含点播、组播和广播三种模式。在点播模式下，用户实时查询监测区域内某个装置的垃圾深度值。在组播模式下，用户实时查询监测区域内若干个装置的垃圾深度值。在广播模式下，用户实时查询监测区域内所有装置的垃圾深度值。上述网络通信模式均可实现单次性和周期性运行。在单运行模式下，处理器模块在只上传一次数据；在周期性运行模式下，处理器模块将按照指定时间间隔上传指定次数的数据。

有益效果：通过本发明用户可根据需求实时掌握监测区域内垃圾箱的垃圾深度值，以决定是否采取清理垃圾箱措施，极大地提高垃圾的清理效率、降低了清运成本。

附图说明

图1为本发明的功能框图；

图2为本发明的电路设计图；

图3为本发明安装图；

图4为本发明网络拓扑结构图；

图5为实施例中的四种深度检测情形示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置，包括超声波传感器模块、处理器模块、无线通信模块、定位模块和电源模块组成；超声波传感器模块采集和转换垃圾桶内垃圾深度数据信息，然后将深度数据信息传输至处理器模块；定位模块获取垃圾箱位置数据信息，并将位置信息传输至处理器模块；处理器模块确定超声波传感器模块和定位模块的工作方式，接收两者的数据并传输至无线通信模块；无线通信模块负责将处理器的数据编码成无线数据包并发送，将无线数据包进行解码并发送至处理器模块；电源模块负责为超声波传感器模块、处理器模块、无线通信模块和定位模块提供运行所需的能量。

本实施例中，使用处理速度快、低压、低功耗的单片机作为控制中心(即处理器模块)，例如采用支持Zigbee协议的CC2530单片机，支持SRAM、片内FLASH、DMA、中断、定时器、A/D转换器、RF收发器等功能。CC2530单片机可以运行在不同的工作模式，以适应超低功耗的要求，并提供电源管理功能，以延长电池使用寿命；使用Zigbee协议作为无线数据传输技术(即无线通信模块)；使用GPS模块获取垃圾箱的位置(即定位模块)，从而根据消息包含的位置信息，来精确定位需要清理垃圾箱的位置。根据实际情况选取6.0*12.2*2.4mm的GPS模块，具有超小尺寸，超低功耗的特征，并使用NMEA协议或自定义协议记录位置、时间等一系列的数据，能够适用于市政垃圾箱定位需求；使用具有反复充电功能的大容量锂电池供电(即电池模块)。超声波传感器模块包括三个均匀分布的超声波传感器，各个超声波传感器分别获取各自位置处的垃圾深度数据，以形成垃圾箱内垃圾分布的真实数据。

上述处理器模块解析控制命令并根据该命令确定超声波传感器模块和定位模块的工作方式，融合超声波传感器的深度值和定位模块的经纬度值，建立新的网络或加入已有的网络等；无线通信模块采用CSMA/CA机制和随机退避时间竞争使用无线信道，发送无线数据包，同时将接收到的无线数据包解码并传送至处理器；定位模块采用GPS模块获取事件发生的位置信息,以保证数据有效性；电池模块采用微型可反复充电的电池供电。

为了能够有效监测垃圾箱内垃圾分布，更加贴近实际应用，所述超声波传感器模块包括三个均匀分布的超声波传感器，三个超声波传感器并排均匀固定于垃圾箱内部顶端；如图5所示，所述异常值检测和深度补偿方法包括以下四种情形：

(A)经过每10秒间隔多次监测，通过左中右三个超声波传感器分别得出垃圾深度值h_l、h_c、h_r，若该三个数值满足于(h_max-h_min)/H≤5％,h_max＝max{h_l、h_c、h_r},h_min＝min{h_l、h_c、h_r}，其中H为垃圾箱的深度，则判定垃圾箱内垃圾是一种正常分布；在此情形下，若h_l、h_c和h_r值均大于0.8H，装置执行报警操作，用户需要执行清理任务；

(B)经过每10秒间隔多次监测，通过左中右三个超声波传感器分别得出垃圾深度值h_l、h_c、h_r，若出现h_r＝max{h_l、h_c、h_r}或h_l＝max{h_l、h_c、h_r}情况，则判定垃圾箱内垃圾呈斜面分布；在此情形下，即使h_l或h_r大于0.8H，装置不执行报警操作，用户不执行清理任务；当h_l、h_c、h_r值均大于0.8H，装置执行报警操作，用户需要执行清理任务；

(C)经过每10秒间隔多次监测，通过左中右三个超声波传感器分别得出垃圾深度值h_l、h_c、h_r，若h_c＝min{h_l、h_c、h_r}，则判定垃圾箱内垃圾呈凹面分布；在此情形下，若h_c<0.8H，装置不执行报警操作，用户不执行清理任务；否则，装置执行报警操作，用户需要执行清理任务；

(D)经过每10秒间隔多次监测，通过左中右三个超声波传感器分别得出垃圾深度值h_l、h_c、h_r，若h_c＝max{h_l、h_c、h_r}，则判定垃圾箱内垃圾凸面分布；在此情形下，若h_c>0.8H，装置便执行报警操作，用户需要执行清理任务；否则，装置不执行报警操作，用户不需要执行清理任务。

协调器建立和形成网络，路由器和终端依次加入网络；用户通过协调器对网络参数配置和管理，发布监测任务和收集监测数据；所述路由器执行自身的数据采集任务、收集来自终端的数据、数据融合后发送至协调器、转发协调器的控制命令；所述终端采集垃圾箱内垃圾深度值，并发送给路由器，最终形成多跳的无线传感器网络。网络通信模式包含点播、组播和广播三种模式；在点播模式下，用户实时查询监测区域内某个装置的垃圾深度值；在组播模式下，用户实时查询监测区域内若干个装置的垃圾深度值；在广播模式下，用户实时查询监测区域内所有装置的垃圾深度值；上述网络通信模式均可实现单次性和周期性运行。在单运行模式下，处理器模块在只上传一次数据；在周期性运行模式下，处理器模块将按照指定时间间隔上传指定次数的数据。

另外，本实施例中的无线通信模块能够调整装置的发射功率，以提高无线通信的可靠性。此外，通信网络的运行参数和采集数据能提前保存在Flash，以防止掉电后，数据丢失。

实施例1：

图1为本实施例中基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置的功能框图，其内部功能由超声波传感器模块、定位模块、处理器模块、无线通信模块及电池模块组成。

图2为本实施例的电路设计图，首先采用3350mAh 3.7V的锂电池供电，通过线性稳压电源芯片LDO，获取3.3V工作电压，正常情况下，锂电池可以使装置正常工作持续近6个月，若电池电量耗尽，更换电池即可。然后，使用集ADC、无线通信模块于一体的CC2530单片机MCU作为任务调度中心，采用串口通信方式与GPS模式通信，选取无线收发器RadioTransceiver延长通信传输距离、提高接收灵敏度。其次，设计三个超声波传感器Ultrasound模块，获取垃圾箱内垃圾深度的准确信息。最后，本实施例将通过拨动开关Switch启动装置的电源，通过RESET按键实现强制系统复位，通过JTAG接口实现在线编程调试，通过LED的亮灭状态来判定装置的工作状态。其中，黄灯Yellow常亮为装置加入网络成功，黄灯Yellow闪烁表示装置加入网络失败，红灯Red闪烁表示装置成功地通过无线方式接收到数据，绿灯Green闪烁表示装置成功地通过无线方式发送数据。

图3所示，通过将本实施的基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置水平安装于垃圾箱的顶部，实现垃圾深度数据获取，安装简单。

图4所示，协调器首先建立网络，路由器和终端依次加入网络，从而形成网络的拓扑结构。用户通过协调器发送采集命令，路由器负责将协调器的命令转发给终端，终端只负责采集任务。待终端完成采集任务，首先将数据发送至路由器，路由器进行数据融合后，最终发送至协调器。PC端通过显控软件，设置网络的通信模式、运行模式以及采集命令，并实时监控垃圾箱内垃圾深度、电池电量、无线信号质量以及位置信息。

Claims

1.一种基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置，其特征在于：包括超声波传感器模块、处理器模块、无线通信模块、定位模块和电源模块组成；所述超声波传感器模块采集和转换垃圾桶内垃圾深度数据信息，然后将深度数据信息传输至处理器模块；所述定位模块获取垃圾箱位置数据信息，并将位置信息传输至处理器模块；所述处理器模块确定超声波传感器模块和定位模块的工作方式，接收两者的数据并传输至无线通信模块；所述无线通信模块负责将处理器的数据编码成无线数据包并发送，将无线数据包进行解码并发送至处理器模块；所述电源模块负责为超声波传感器模块、处理器模块、无线通信模块和定位模块提供运行所需的能量，根据在网络拓扑结构中所充当的任务性质，将超声波传感器模块、处理器模块、无线通信模块和定位模块划分为协调器、路由器和终端三种角色。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置，其特征在于：所述处理器模块解析控制命令并根据该命令确定超声波传感器模块和定位模块的工作方式，融合超声波传感器的深度值和定位模块的经纬度值，建立新的网络或加入已有的网络等；所述无线通信模块采用CSMA/CA机制和随机退避时间竞争使用无线信道，发送无线数据包，同时将接收到的无线数据包解码并传送至处理器；所述定位模块采用GPS模块获取事件发生的位置信息,以保证数据有效性；所述电池模块采用微型可反复充电的电池供电。

3.根据权利要求1所述的基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置，其特征在于：所述垃圾箱深度检测装置包括两种工作模式：正常模式和报警模式；在正常模式中，处理器模块周期性上传超声波传感器的测量结果；在报警模式中，当垃圾深度值超过预设阈值，处理器模块则会上传测量结果。

4.根据权利要求1所述的基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置，其特征在于：所述垃圾箱深度检测装置整体安装于垃圾箱顶端，超声波传感器模块包括三个并排均匀分布的超声波传感器，各个超声波传感器分别获取各自位置处的垃圾深度数据，以获取垃圾箱内垃圾分布的真实数据，采用异常值检测和深度补偿算法，该算法包括以下四种情形：

5.根据权利要求1所述的基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置，其特征在于：所述协调器负责建立和形成网络，路由器和终端依次加入网络，用户通过协调器对网络参数进行配置和管理、发布监测任务至路由器、收集来自于路由器的监测数据，所述路由器执行垃圾深度检测任务、转发来自协调器的控制命令至终端、收集来自终端的数据、进行数据融合后发送至协调器，所述终端采集垃圾箱内垃圾深度值，并发送给路由器，最终形成多跳的无线传感器网络。

6.根据权利要求5所述的基于超声波的市政垃圾箱深度检测装置，其特征在于：所述网络通信模式包含点播、组播和广播三种模式，在点播模式下，用户实时查询监测区域内某个装置的垃圾深度值，在组播模式下，用户实时查询监测区域内若干个装置的垃圾深度值，在广播模式下，用户实时查询监测区域内所有装置的垃圾深度值，上述网络通信模式均可实现单次性和周期性运行，在单运行模式下，处理器模块在只上传一次数据；在周期性运行模式下，处理器模块将按照指定时间间隔上传指定次数的数据。