一、项目概述
1.1 引言
随着科技发展的日新月异，生活垃圾已经成为影响环境，影响人类生活，甚至影响人类生存环境的重要因素。大街小巷，旅游景点，校园内部到处充斥着人类的生活垃圾，垃圾桶已经成为人们日常生活中常见的必备用品，每天长千上万个环卫工人，垃圾回收车辆忙碌在回收处理垃圾的第一线。回收处理垃圾是一件费时费力的工作，每天需耗费大量的人力物力，然而有些垃圾桶却不一定装满，却也被回收，由此造成了对车辆人员油料的极大浪费。尤其是旅游景点，山路之上的垃圾桶，准确掌握这些垃圾桶的存储状况，对于节省人力物力将具有明显的效果。
在这种需求之下，智能垃圾桶监测报警系统应运而生。智能垃圾桶报警系统采用传感器检测垃圾桶存储状况，并将之传送到垃圾处理中心，及时掌握垃圾桶存储状况，准确处理垃圾。首先，垃圾桶中的智能传感器将检测垃圾桶的存储状况，如果垃圾桶已经装满，将通过无线智能模块将垃圾桶的存储状况发送到垃圾回收处理中心，垃圾处理中心再根据情况及时派出人员处理垃圾，做到实时准确，节省人力物力。
1.2 创新点
（1）利用可再生资源-太阳能作为系统的供电系统，既节能又可靠。
（2）将语音直接下载到语音储存电路内方便快捷；
（3）将Zigbee技术应用于垃圾桶远程报警系统，它可以自组网络。
（4）利用GPRS网络远程传送信息，可靠快速。
二、需求分析
2.1 功能要求
智能垃圾桶远程报警系统主要由RFD（简易功能设备）和FFD（全功能设备）
RFD主要由电源模块、语音模块、系统主控模块、Zigbee模块、传感器模块五大部分组成。
（1）电源模块
系统电源模块有两块蓄电池，一块太阳能接收板，有阳光时，太阳能接收板向蓄电池充电，同时为整个电路提供电源，阴天或光线不好时，蓄电池为整个电路提供电源。
（2）语音模块
语音模块主要由音频下载电路、语音存储电路以及音频功放电路三部分组成。语音模块主要完成以下三种功能：
①能够将语音通过USB下载入存储模块；
②当有人靠近一定距离时，语音模块自动提示；
③当人离开一定距离时，语音模块再次启动提示。
本装置通过USB接口将MP3格式的提示音频信息下载至语音存储电路中。通过外放模块进行播报。基于本模块的应用需要，设计选用了侧重于音频信号处理的基于AT32UC3A的EVK110开发板作为开发平台。
（3）系统主控电路
系统主控电路及按键显示模块主要完成系统顶层的综合管理、功耗控制和信息存储等功能，提高系统整体的自动化及智能化水平。
本项目采用高性能、低功耗的32位的AVR的AT32UC3A芯片作为系统微控制器，以实现对语音模块﹑zigbee模块﹑gprs模块﹑传感器模块电路的控制。
（4）zigbee模块
zigbee模块主要完成以下两个功能：
①自动搜索其他的RFD（简易功能设备），组成星型网络。
②把RFD信息传送到FFD（全功能设备）。
利用zigbee技术可以快速，准确的把信息传送，节省了设备间的连线。
（5）传感器模块
①检测人扔垃圾的红外传感器用红外壁障传感器，此传感器对环境光线抗干扰能力很强、是用一对红外发射管与接收管完成探测距离，发射管发射出高频的红外线信号，当检测到前方有障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，此时指示灯亮起，经过电路处理后，输出低电平信号，从而触发语音提示系统，提醒人们将垃圾分类，人道正确的垃圾箱中。通过调节传感器的VR1电位器可以调节检测的距离。此传感器的主要性能指标如下：
输入电压：4.0V -6.0V
输入电流：小于15mA
输出方式：数字量；（有红外反射信号反馈时，输出低平。）
可调距离：5cm~40cm、灵敏度高。
可调发射频率：各个模块调节在不同的发射频率，可以同时使用多个模块一起工作，相互不干扰。此传感器性能稳定，工作模式简单，是首选选择。
②垃圾桶内用传感器
采用OS806对射式红外传感器。OS806传感器有原装进口高发射的砷化镓红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管组成，它是利用被检测物对光束的遮挡，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。而且这种传感器价格便宜，对环境适应性强，非常适合在此系统中应用。
特点：
1、高可靠性，
2、响应速度快，光缝0.5mm,槽宽4mm,脚距9mm.
Ⅱ FFD主要由电源模块、zigbee模块、控制系统模块、GPRS模块四大部分组成
GPRS通信模块
传送距离远
信息传输稳定
利用移动平台把区域内垃圾箱的信息传送到垃圾站。
本项目系统架构如图1所示：
图1 系统架构图
其中RFD的构架图如图2所示：
图2 RFD架构图
其中FFD的构架图如图3所示：
图3 FFD机构架构图
2.2 性能要求
本项目要达到的性能指标：
（1）在光线充足的情况下，太阳能电池板可在12小时内将两块蓄电池充满电同时对整个电路供电。已充满电的蓄电池可在无光线时，确保垃圾桶检测报警装置至少正常工作72小时；
（2）经音频功放电路处理，系统可播报符合实际要求的语音效果，杂音干扰少；
（3）zigbee模块功耗低，反应灵敏激活发送仅15ms.能够自组网络，能容纳200个以上的节点，广播的形式发送信息避免交互应答，并且能够避免信息碰撞。
（4）系统语音存储电路容量大，具备至少存储200多个节点地址信息和200多个垃圾箱的信息。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理
本设计以AVR的AT32UC3A芯片作为微控制器在此基础上建立FFD和RFD,RFD利用太阳能电池板为整个装置提供电源，在此基础上搭建语音模块、zigbee模块、传感器模块等外围电路，构成了基于太阳能垃圾箱信息系统。当有人丢垃圾时提供语音提示，并把垃圾箱内的信息传送给FFD.实现垃圾箱的无人监管。FFD利用太阳能电池为整个装置提供电源在此基础上搭建zigbee模块 GPRS模块等构建起外围电路。进行网络管理，接收RFF传送来的垃圾箱信息，并对信息加以分析，并把分析好的信息传送到接收终端设备（手机）。
该系统不仅可以节省不可再生资源的使用量，更保护了环境，同时语音提示提高了垃圾的分类率，间接的提高了垃圾的回收利用。并且不必要线路连接节省了设备开支。该系统把信息及时的传送给垃圾站，不必要派人专门监管，节省了大量的物理人力，并能保证垃圾箱随时处理。
3.2 硬件平台选用及资源配置
本系统选用基于高性能、低功耗AT32UC3A芯片的EVK110硬件平台，主要选用了开发板的USB数据传输、AT32UC3A控制处理、MP3播放器等功能部分。利用其USB接口下载MP3格式的语音报站文件至语音存储模块，并利用MP3播放器播放信息内容，MCU则负责控制整个系统的工作过程。利用支持zigbee技术和GPRS进行信息的无线传输
3.3 系统软件流程
系统软件流程主要分为FFD主程序流程图和RFD流程图两部分，RFD系统主程序流程图主要完成语传感器信号的接收、信号分析、 音文件的传输与保存、语音提示和zigbee模块的激发。FFD主程序流程图主要完成网络管理、信息接收、信息分析和GPRS模块的激发。
RFD系统的主流程图如图4所示：
图4 系统主程序流程图
FFD的程序流程图如图5所示：
图5 FFD模块流程图
3.4 系统预计实现结果
基于Zigbee的垃圾桶远程监控报警系统主要具有以下功能：
（1）系统电源模块有两块蓄电池，一块太阳能接收板，有阳光时，太阳能接收板向蓄电池充电，同时供整个电路用电，阴天或光线不好时，蓄电池为整个电路电源
（2） 当有人靠近扔垃圾时，双语语音播报提示信息；
（3）当垃圾桶内垃圾已满时，检测发送模块向信息收集模块发送信息；
（4）Zigbee网络收集各个垃圾桶的存储状况，将信息汇总，经过AVR模块处理，将信息通过GPRS发送出去。
（5）信息处理中心接受发送的信息，掌握垃圾桶存储状况并作出精确处理。