CN110143384A - 一种基于红外定位技术的智能垃圾桶 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于红外定位技术的智能垃圾桶，主要包括控制装置、红外发射装置、超声波避障装置、人体感应装置、红外接收装置、语音提示装置、无线充电装置和垃圾桶主体。垃圾桶主体包括桶体、桶盖和内容器，内容器放于桶体内，桶盖置于桶体的上端。内容器的3/4高度处放置三个超声波模块，桶体外部放置人体检测装置，桶体底盘放置Arduino控制主板、驱动电机、无线充电模块和电池。桶体底部前方延伸部分搭载超声波避障装置，超声波避障装置的正前方放置RFID阅读器模块，桶体底部配置三个车轮，底部后侧装有充电指示灯。控制装置主要是Arduino控制主板。无线充电装置由无线充电发射装置和IC卡构成。该垃圾桶能够实现红外定位、无线自动回充、检测垃圾满溢度、语音提示、智能避障、手机蓝牙遥控、人体检测自动开关盖等七个功能。

Description

一种基于红外定位技术的智能垃圾桶

技术领域

本发明涉及智能家居设备和物联网传感器技术领域，具体涉及一种基于红外定位技术下实现的一款智能垃圾桶。

背景技术

随着物联网技术的提出，智能家居这个典型的物联网应用场景已经深入人心，目前市场上智能化的产品日新月异，而智能垃圾桶也相应地出现在我们的日常生活中。传统垃圾桶在用户使用时，需每次走到垃圾桶旁才能丢上垃圾，当用户不关注垃圾桶内的垃圾数量时，容易因积攒垃圾而滋生细菌。现有的智能垃圾桶大多采用CC2530作为控制核心，也存在处理能力有限、智能化的功能少、开发成本高和灵活性不强等缺点。

发明内容

本发明所要解决的问题在于设计一款具有融合红外定位、无线自动回充、检测垃圾满溢度、语音提示、智能避障、手机蓝牙遥控、人体检测自动开关盖等功能的智能垃圾桶。相比于传统的垃圾桶，本发明打破了人们的常规思维，使垃圾桶能够自己动起来，自动寻找位置，还具有语音提示功能；同时我们还设计了人性化的人体检测自动开盖功能，当用户丢垃圾时，只需要在垃圾桶20公分以内而不需要做出任何触碰动作即可轻松完成开关盖；无线自动回充功能则有效解决了垃圾桶的供电问题；自动避障功能成功解决了移动时对障碍物的躲避，实现智能化无碰撞移动。

本发明中的基于红外定位技术的智能垃圾桶，通过红外定位、无线自动回充、检测垃圾满溢度、语音提示、智能避障、手机蓝牙遥控、人体检测自动开关盖等七大功能模块，增强了垃圾桶的功能性和交互性，该垃圾桶具体包含：外桶体（2）、内桶体（3）、桶盖（4）、JQ6500语音模块（5）、两个步进电机（6）、多普勒近距离人体检测模块（7）、超声波模块（8）、ZigBee无线模块（9）、三个轮子（10）、两个电机（11）、舵机超声波装置（12）、垃圾桶底盘（13）、RFID阅读器（14）、HC-02蓝牙模块（16）、手机APP（17）、无线充电接收模块（18）、Arduino核心控制板（19）、红外发射板（20）、无线充电台（21）、无线充电发射模块（22）、IC卡模块（23）、红外发射管（24）、红外接收管（25）、LED三色灯（27）、电池卡槽盒（28）、可充电锂电池（29）、继电器模块（30）。

所述多普勒近距离人体检测模块（7）置于外桶体（2）正前方，桶盖（4）下方2公分处，主要是用于检测用户是否靠近垃圾桶在20公分以内，从而驱动步进电机（6）的机械转动实现人体检测自动开关盖；所述两个步进电机（6）安装于桶体后上方，与桶盖通过翼形螺母（1）从上方拧紧而固定，分别控制左右桶盖（4）的转动方向，以完成桶盖的开关。

所述两个红外接收管（25）分别安装在多普勒近距离人体检测模块（7）左右距离5公分处，三者处于同一高度；所述超声波模块（8）安装在内桶体（3）3/4高度处，使用三个超声波模块（8）以三角形结构放置，用于检测桶内垃圾的满溢度；所述JQ6500语音模块（5）安装在垃圾桶底盘（13）前方侧边，用于语音播报提醒用户（应该清理垃圾时、到达指定位置时、与垃圾桶正在充电时）。

所述舵机超声波装置（12）由超声波模块（8）架装于舵机（26）转动轴上组合成，安装于垃圾桶底盘（13）的正前方处，用于垃圾桶智能移动时实现自动避障；所述RFID阅读器（14）安装在舵机超声波装置（12）中舵机（26）的正前方处，用于识别IC卡模块（23）以实现停止垃圾桶的移动。

所述Arduino核心控制板（19）置于垃圾桶底盘（13）内，用作数据接收和处理的核心控制；所述垃圾桶底盘（13）的底部向内凹嵌有电池卡槽盒（28）用于装放可充电锂电池（29）；所述垃圾桶底盘（13）的底部靠两前轮处，安装有无线充电接收模块（18）用于实现自动充电；所述LED三色灯（27）安装于垃圾桶底盘（13）的后端外壁处，用于显示垃圾桶的电量及充电状态。

所述三个轮子（10）以三角形结构安装在垃圾桶底盘，其中前方两个轮子分别与两个驱动电机（11）相连，电机通过接收Arduino核心控制板（19）传来的数据控制轮子的转动方向，进而实现控制垃圾桶的移动；而另一个轮子为万向轮，其主要为搭配前边两个固定驱动轮使用。

所述HC-02蓝牙模块（16）置于垃圾桶底盘（13）外部前方，用于接收手机端发送过来的蓝牙自定义的控制命令数据；所述手机APP（17）使用Android Studio开发，用于实现手机端连接蓝牙来遥控垃圾桶。

所述无线充电台（21）由无线充电发射模块（22）、IC卡模块（23）、红外发射板（20）和ZigBee无线模块（9）组成，用于实现无线充电。

所述无线充电发射模块（22）的线圈水平固定在充电台的平台上，用于与垃圾桶底部的无线充电接收模块（18）的线圈相互耦合实现无线充电；所述IC卡模块（23）贴于无线充电台（21）前方，其高度与垃圾桶上的RFID阅读器高度平齐，用于与RFID阅读器（14）识别而完成停止功能。

所述红外发射板（20）同样安装于无线充电台（21）前的上方，位于IC卡模块（23）上方，与所述ZigBee无线模块（9）充当的ZigBee终端相连，用于控制红外发射管（24）发射红外信号触发垃圾桶的移动。

所述红外发射板（20）由SN74HC08N芯片（15）、红外发射管（24）和一个按键组成，由ZigBee无线模块（9）的终端所控制，从而接入到ZigBee家庭网关中进行通信。红外发射板（20）用于发射红外来触发垃圾桶执行红外定位功能。

所述ZigBee家庭网关由多个ZigBee无线模块（9）组成，只需要一个ZigBee模块充当协调器，其它多个ZigBee模块充当路由器与终端，便可完成一定面积范围内的ZigBee网络搭建，从而组成ZigBee家庭网关。

本发明中的智能垃圾桶使用的是两节3.7V可充电锂电池（29）供电，锂电池内自配有电量检测与过载保护功能。

本发明中的红外定位功能由红外发射板（20）、红外接收管（25）来实现。当用户按下红外发射端的按键时，代表有用户需要丢垃圾，此时ZigBee终端控制红外发射板（20）上的所有红外发射管（24）被打开，然后通过ZigBee家庭网关将信息发送给Arduino核心控制板（19），垃圾桶端接收到请求并点亮垃圾桶上的红外接收管（25），红外接收管（25）接收到红外发射管（24）的信号，并将数据传输给Arduino核心控制板（19），然后开始启动红外定位功能。然后，垃圾桶上的两个红外接收管（25）开始工作，如果两个接收管（25）都收到红外信号就直接前进；如果左边收到来自红外发射板（20）的红外信号，右边没有收到就左转；如果右边收到来自红外发射板（20）的红外信号，左边没有收到就右转；如果都没接收到就继续旋转，接着避障移动。直到RFID阅读器（14）靠近并识别到放置在红外发射板（20）处的IC卡模块（23），说明垃圾桶已经到达指定的位置并停止，此时输出低电平触发JQ6500语音模块（5）提示垃圾桶已经到达指定位置。

所述智能避障是由舵机超声波装置（12）来实现的。超声波主要用于探测前方有没有障碍物，舵机主要是当遇到前方32公分内有障碍物时，舵机控制超声波自动转动方向，从而寻找无障碍物的方向行走，实现智能避障功能。

所述人体检测自动开关盖功能由多普勒近距离人体检测模块（7）和步进电机（6）实现。多普勒近距离人体检测模块（7）固定在垃圾桶外桶体（2）的正前方，它输出的数据引脚与Arduino核心控制板（19）相连，两个步进电机（6）安装在垃圾桶顶端的后方，并与桶盖固定。当多普勒近距离人体检测模块（7）检测到20公分内有人靠近时，引脚输出一个数据到Arduino核心控制板（19），Arduino核心控制板（19）检测到传入的数据时输出一个控制信号，控制步进电机（6）的机械转动，从而实现人体检测自动开盖功能，在延时15s后自动关闭桶盖。

所述检测垃圾满溢度是由三个超声波模块（8）来实现的。三个超声波模块（8）都紧贴垃圾桶的内桶体（3）上方3/4高度处，形成一个三角形状，使发射声波的端口垂直于内桶体壁。每次桶盖关闭后，超声波模块（8）开始发射超声波，检测垃圾桶内筒壁的距离，若三个超声波检测到的距离均小于设定的阈值（即内桶体的1/2半径长度）时，则判定垃圾桶内的垃圾已经满溢到一定高度了，然后开启语音提示，触发JQ6500语音模块（5）提醒用户及时清理垃圾桶内的垃圾。

所述自动回充功能是由无线充电台（21）、无线充电发射模块（22）、红外发射板（20）、IC卡模块（23）和ZigBee终端实现的。无线充电台（21）放在指定位置并固定，当可充电锂电池（29）内的电量检测模块检测到垃圾桶电量低于某个阈值时，便通过ZigBee家庭网关将信息发送给充电台处的ZigBee终端，终端充电台处的电源开启，红外发射板（20）与无线充电发射模块（22）开始工作，同时垃圾桶开启红外定位功能，直到抵达无线充电台（21）上识别IC卡停止移动并进行充电，同时断开其它功能的实现电路。此时LED三色灯（27）是红色，触发JQ6500语音模块（5）提醒用户垃圾桶正在充电；充电完成时LED三色灯（27）变成绿色，此时可充电锂电池（29）内的过载保护功能进行工作，垃圾桶自动断开回充电路而接通其它功能的电路，同时无线充电发射模块（22）感应到线圈无耦合工作时，充电台处的电源自动断开。

所述的自动回充功能工作时，垃圾桶分为回充电路与其他功能的实现电路，只要使用一个继电器模块（30）即可控制两路不同电路的通断状态的切换；所述无线充电台（21）处的电路通断状态也使用继电器模块（30）采用相同的控制原理。

所述手机APP的蓝牙遥控功能是由HC-02蓝牙模块（16）、手机APP（17）实现的。HC-02蓝牙模块（16）安装固定在垃圾桶底盘（13）外部前方，手机APP（17）安装在Android 4.2以上的手机上。打开手机蓝牙，搜索和连接名称为HC-02的蓝牙，连接成功后可使用手机控制垃圾桶的运动。当按下相应按钮时手机蓝牙会发出相应的控制命令，触发Arduino核心控制板（19）的中断功能，HC-02蓝牙模块（16）通过串口把数据传给Arduino核心控制板（19），Arduino核心控制板（19）暂停红外定位功能，开始接收和处理来自手机APP（17）的控制命令，根据相应的命令控制垃圾桶底盘的电机（11）转动，从而实现垃圾桶的手机遥控功能。

附图说明

图1为垃圾桶的整体外观及正向示意图。

图2为垃圾桶各组成部分示意图。

图3垃圾桶盖组成部分结构示意图。

图4垃圾桶底端具体组件放置结构示意图。

图5无线充电台的结构示意图。

附图标记说明：2-外桶体、3-内桶体、4-桶盖、5-JQ6500语音模块、6-两个步进电机、7-多普勒近距离人体检测模块、8-超声波模块、9-ZigBee组网模块、10-三个轮子、11-两个电机、12-舵机超声波装置、13-垃圾桶底盘、14-RFID阅读器、15-SN74HC08N芯片、16-HC-02蓝牙模块、17-手机APP、18-无线接收充电模块、19-Arduino核心控制板、20-红外发射板、21-无线充电台、22-无线发射电源模块、23-IC卡模块、24-红外发射管、25-红外接收管、26-舵机、27-LED三色灯、28-电池卡槽盒、29-可充电锂电池、30-继电器模块。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

本发明基于红外定位技术的智能垃圾桶，包括垃圾桶及所附配件模块。所述设计包括红外定位、无线自动回充、检测垃圾满溢度、语音提示、智能避障、手机蓝牙遥控、人体检测自动开关盖等七大功能模块。不同器件的位置、参数设置可依照实际情况要求灵活配置，下面通过一种具体的器件选择和模块配置对所述设计内容做进一步补充。

1）红外定位实现的过程

所述红外定位功能模块包括红外发射板（20）、红外接收管（25）、ZigBee无线模块（9）等三个关键部件和若干连线。红外发射板（20）的电源和接地通过排线连接在ZigBee模块上，红外接收管（25）分别固定在桶盖下方的左右两侧，当按下红外发射板（20）上的开关后，ZigBee终端就把信息通过ZigBee家庭网关传给Arduino核心控制板（19），Arduino核心控制板（19）对接收到的信号做出判断，开始红外定位。垃圾桶上的左右两个红外接收管（25）接收红外发射板（20）发射的红外信号，并把红外信号转变为电信号传送给Arduino核心控制板（19），用来判断是否偏离红外发射板（20）的移动，并根据传送过来的信号进行方向的校正，当到达指定位置即红外发射板（20）前方时，垃圾桶上的RFID阅读器（14）读取位于该处的IC卡模块（23）的ID号，并把ID号传输给Arduino核心控制板（19），经处理后垃圾桶停止移动并关闭红外定位功能，完成整个红外定位过程。

2）无线自动回充实现的过程

所述自动回充功能模块包括无线充电台（21）、无线充电发射模块（22）、红外发射板（20）、IC卡模块（23）、ZigBee无线模块（9）及无线充电接收模块（18）等六个关键部件和若干排线。无线充电台（21）放在指定位置固定，无线充电发射模块（22）的线圈固定在充电台上，与垃圾桶底部的无线充电接收模块（18）的线圈高度相距3cm左右，IC卡模块（23）横放在无线充电台（21）的前方上端固定，且高度与垃圾桶上RFID阅读器（14）的高度相平。当可充电锂电池（29）内的电量检测模块检测到垃圾桶的电量低于某个阈值时（即电量10%），便通过ZigBee家庭网关将信息发送给充电台处的ZigBee终端，控制继电器（30）把电源开启，红外发射板（20）与无线充电发射模块（22）通电后开始工作，同时垃圾桶开启红外定位功能。当垃圾桶通过红外定位功能到达充电台上时，垃圾桶前方的RFID阅读器识别到IC卡模块停止移动，关闭红外定位；垃圾桶底部的无线充电接收模块（18）的线圈与固定在充电台中央的无线充电发射模块（22）的线圈在垂直方向上重合，距离在3cm左右范围内时即可在无线充电台（21）上进行充电。此时与无线充电接收模块（18）通过排线相连的LED三色指示灯（27）显示红色，充电完成时LED三色灯（27）变成绿色，同时可充电锂电池（29）执行过载保护功能。当电量充满时，锂电池将电量数据传给Arduino核心控制板（19），进而控制继电器（30）断开回充电路并打开其他正常功能使用的电路。

3）检测垃圾满溢度的实现过程

所述检测垃圾满溢度功能模块中包括三个超声波模块（8）关键模块和若干排线。三个超声波模块（8）都紧贴垃圾桶的内桶体（3）上方3/4高度处，形成一个三角形状，超声波发射口垂直内桶体壁。超声波模块（8）在每次桶盖关闭后发射超声波，测量超声波到垃圾桶对面内筒壁的距离，采集到的数据经过Arduino核心控制板（19）处理计算出测量距离，若三个模块检测到的距离均小于设定的阈值时（即垃圾桶内桶体的1/2半径长度），则判定垃圾桶内的垃圾已经满溢到一定高度了（即内容物已超过内桶体容量的75%），然后Arduino核心控制板（19）输出一个控制信号开启语音提示功能，触发JQ6500语音模块（5）提醒用户及时清理垃圾桶内的垃圾。

4）语音提示的实现过程

所述语音提示功能模块包括JQ6500语音模块（15）、喇叭两个关键部件以及排线。JQ6500语音模块（15）通过排线与喇叭连接，并固定在垃圾桶底盘（13）右侧前方处，JQ6500语音模块（15）的控制引脚接在继电器（30）的开关上。需要的语音数据以十六进制的格式下载到JQ6500语音模块（15）中，并且让语音编号与控制引脚对应。每次收到要启动语音提示的信息时，Arduino核心控制板（19）输出控制信号来闭合继电器（30），使得JQ6500语音模块（15）相应的引脚置为低电平，从而触发语音提示。

5）智能避障的实现过程

所述智能避障功能模块包括舵机超声波装置（12）一个关键部件和若干排线。舵机超声波装置（12）由超声波模块（8）、舵机（26）和RFID阅读器（14）组成，装置固定在垃圾桶底板延伸处，舵机（26）上方搭载超声波模块（8），其前方放置RFID阅读器（14）。Arduino核心控制板（19）控制超声波模块（8）发射超声波并且记录接收到发射声波的时间，再通过物理公式计算出前方的距离，从而判断是否有障碍物。当检测到前方32公分内有障碍物时，Arduino核心控制板（19）通过PWM调制控制舵机（26）转动轴转动，调整搭载的超声波模块（8）转到另一个方向去探测，寻找无障碍物的方向行走，从而实现智能避障功能。

6）手机蓝牙遥控的实现过程

所述手机蓝牙遥控功能模块主要包括HC-02蓝牙模块（16）关键部件、排线以及手机APP（17）等。HC-02蓝牙模块（16）通过排线将自己的RX、TX与Arduino核心控制板（19）的串口TX、RX相连。手机APP（17）通过手机蓝牙完成与垃圾桶端蓝牙的连接、发送和停止，采用“$，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，#”等蓝牙自定义协议控制数据，HC-02蓝牙模块（16）接收到自定义协议的控制数据后，传送给Arduino核心控制板（19）来控制垃圾桶的移动。

7）人体检测自动开关盖实现过程

所述人体检测自动开关盖功能模块包括多普勒近距离人体检测模块（7）、步进电机（6）等关键部件和排线。多普勒近距离人体检测模块（7）放置在垃圾桶靠近顶端的正前方并固定，输出数据引脚通过若干排线与Arduino核心控制板（19）相连，步进电机（6）安装并固定在垃圾桶顶端的后方，步进电机（6）与桶盖（4）之间使用翼型螺母（1）把电机的输出轴与桶盖（4）栓紧。当多普勒近距离人体检测模块（7）检测到20公分范围内有人靠近时，输出数据引脚输出一个数据到Arduino核心控制板（19），Arduino核心控制板（19）将进行A/D模数转换，如果设定的值匹配就输出一个高电位控制步进电机（6）的机械转动，实现人体检测开盖功能；并设定在延时15s后以相反的方向转动步进电机（6），实现自动关闭桶盖功能。

Claims (6)

1.一种基于红外定位技术的智能垃圾桶，其特征在于：

包括圆柱形的外桶体，外桶体上端瓢虫式开启的桶盖，安装在外桶体内部的内桶，所述外桶体上端嵌有与桶盖相连接的步进电机装置盒；

所述桶盖整体拼成圆饼状，以瓢虫式从中间打开或关闭桶盖；所述两个步进电机装置盒在外桶体后端上方，电机的输出轴高出装置盒，并穿过桶盖的螺孔与翼形螺母从上方拧紧而固定；

所述圆柱形内桶体与外桶体上端开口处嵌合，所述两桶体之间有相应的空隙；所述内桶体3/4高度处的内壁上，嵌有超声波模块；

所述外桶体正前方嵌有多普勒近距离人体检测模块，与桶盖距离2公分处；所述多普勒近距离人体检测模块的左右两端嵌有两个红外接收管，距离相差5公分处，三者处于同一高度；

所述垃圾桶底盘前方右侧边嵌有JQ6500语音模块，语音播报的喇叭直接贴于外侧；所述垃圾桶底盘外部前方左侧边嵌有HC-02蓝牙模块；所述垃圾桶底盘的后端外壁处嵌有LED三色灯；

所述垃圾桶底盘内部由外桶体与内桶体下端距离差而留出的一小部分空间；所述Arduino核心控制板、继电器模块及若干排线固定在底盘空间内；所述垃圾桶底盘的外底部凹嵌有电池卡槽盒，前方安装两个固定轮与驱动电机相接，后方安装一个万向轮辅助移动；所述无线充电接收模块嵌在底盘上，无线充电接收模块的线圈安装在两个前轮中间；

所述舵机超声波装置安装于垃圾桶底盘的正前方4公分处，装置上架起舵机模块；所述RFID阅读器安装在舵机前的支架柱上；所述超声波模块架装于舵机上方的转动轴上；

所述无线充电台放置在固定的位置，矩形充电台大小与垃圾桶底部空间大小相容；所述无线充电发射模块嵌在充电台内部，无线充电发射模块的线圈水平安装在充电台上；所述IC卡模块安装在充电台前方；所述红外发射板与ZigBee终端模块相连，安装在IC卡模块上方处。

2.如权利要求1 所述的一种基于红外定位技术的智能垃圾桶，其特征在于：所述步进电机有输出轴，输出轴上有螺纹，所述瓢虫式桶盖尖端上有螺孔，输出轴穿过螺孔后，用翼形螺母拧紧而固定。

3.如权利要求1 所述的一种基于红外定位技术的智能垃圾桶，其特征在于：所述红外发射板处均连接有ZigBee终端模块，红外发射板所发射的红外信号为垃圾桶进行红外定位的关键，而ZigBee终端模块为ZigBee家庭网关的一部分。

4.如权利要求1 所述的一种基于红外定位技术的智能垃圾桶，其特征在于：所述充电台上的无线充电发射模块的线圈与垃圾桶底部的无线充电接收模块的线圈，在高度上能达到线圈的充分耦合。

5.如权利要求1 所述的一种基于红外定位技术的智能垃圾桶，其特征在于：所述的IC卡模块与所述的RFID阅读器的高度平齐。

6.如权利要求1 所述的一种基于红外定位技术的智能垃圾桶，其特征在于：所述的红外发射板和所述的垃圾桶上的红外接收管高度平齐。