比赛方案

全国大学生物联网设计竞赛

设计作品名称

基于大数据的智能垃圾桶

团队名称： 智能购物车战队 第一导师： 姓名（教授）王斐 第二导师： 队长： 队员1： 队员2：

姓名（教授）张高远 姓名刘凯 姓名白春雨 姓名王宗宝

全国大学生物联网设计竞赛组委会

2016年5月

诚信承诺申明

本参赛队全体队员及指导教师已认真阅读《全国大学生物联网设计竞赛章程》关于竞赛作品的知识产权之全部条款，郑重申明，在参加全国大学生物联网设计竞赛时所呈交的竞赛作品及作品设计文档均为参赛队员在指导教师指导下独立完成。尽本参赛队所知，竞赛作品及作品设计文档中，除特别加以标注的部分外，不存在侵犯第三方知识产权的内容。竞赛作品及作品设计文档并非由参加其他竞赛之作品及作品设计文档未经改动直接参赛；如作品确参加过其他竞赛的，本参赛队承诺参加本次比赛之作品已经过较大改动。

指导教师签名：王斐

日期：2016年5月20日

全国大学生物联网设计竞赛设计文档 摘要

设计作品名称

摘要

随着智慧城市的建设，越来越多的城市基础性服务通过互联网的链接，信息互享，并通过城市中心服务器进行各种服务信息的大数据的统计管理，让城市更加有效率的运行，市民享受更高质量更加便捷的服务。

我们小组设计的智能垃圾桶，使用TI公司的CC3200开发板作为核心控制板，通过夏普GP2Y0A21YK0F的红外距离传感器自动检测桶内的垃圾量，并及时上传到云服务器，服务器端对多个垃圾桶的信息进行汇总分析后存入数据库中。某一区域的垃圾桶满了后，服务器及时把信息反馈到一线工作的环卫工人的手机客户端，然后由环卫工人进行垃圾收集处理工作。

通过对整个城市各个垃圾桶信息的统计，可以从大量统计数据分析出城市不同区域每天要处理的垃圾量的多少，垃圾箱收满垃圾的时间，速度，从而可以采取更加科学的管理:在垃圾较多的区域建立垃圾处理厂，合理分配不同区域的环卫工人的人员数量，合理安排收垃圾的时间，等等。

本项目的扩展性：可以加上垃圾识别模块，识别不同类型垃圾，提醒人们正确的垃圾分类。另外通过相关模块识别出一些常见的可回收资源，例如：饮料瓶，金属等等，然后把这些数据上传到管理中心，通过数据分析，可以分配相关人员进行资源回收，从而更加有效的利用资源。

关键词：智能，大数据，垃圾回收

- I -

全国大学生物联网设计竞赛设计文档目录 目 录

摘要 ........................................................................................................................................ I 第一章 设计需求分析 ...................................................................................................... 1

1.1 面向的需求 .......................................................................................................... 1 1.2 解决方式 .............................................................................................................. 1

1.2.1 简述 ........................................................................................................... 1

第二章 特色与创新 .......................................................................................................... 2

2.1 产品优势和创新点 .............................................................................................. 2 第三章 功能规划 .............................................................................................................. 3

3.1 垃圾桶部分 .......................................................................................................... 3

3.1.1 垃圾桶机械设计: ........................................................................................ 1 3.1.2 垃圾桶电子控制设计： ........................................................................... 1 3.2 手机客户端设计 .................................................................................................... 2

3.2.1 APP功能设计 ............................................................................................ 2 3.2.2 APP工作流程 ............................................................................................... 2 3.2 服务器部分 .......................................................................................................... 2

3.2.1 服务器结构 ............................................................................................... 3

第四章 硬件组成 .............................................................................................................. 3

4.1 项目所用硬件组成 .............................................................................................. 3

4.1.1 核心控制 ................................................................................................... 3 4.1.2 外围感知组件 ........................................................................................... 1

第五章 软件架构和开发环境 .......................................................................................... 1

5.1 软件架构. ........................................................................................................ 1

5.1.1 垃圾桶电子控制程序设计 ....................................................................... 1 5.1.2 android APP设计 ...................................................................................... 3 5.1.3 服务器软件设计 ....................................................................................... 4 5.2 开发环境介绍 ...................................................................................................... 5

5.2.1 嵌入式开发 ................................................................................................. 5 5.2.2 Android App开发 ...................................................................................... 5

6 数据传输技术应用 ........................................................................................................ 5

6.1 应用的数据传输技术 .......................................................................................... 5 参考文献 ............................................................................................................................... 6

- II -

全国大学生物联网设计竞赛设计文档[作品名称] 第一章 设计需求分析

1.1 面向的需求

随着城市的规模的扩大，城市的智能化管理的普及，而传统的城市垃圾收集处理的机制已经跟不上时代的发展。传统方式仅仅通过环卫工人一个一个的查看垃圾桶，再进行收集集中处理，这种方式费时费力，也不方便城市的管理。城市的垃圾桶需要一种更加智能化的管理手段。 1.2 解决方式 1.2.1

简述

在普通垃圾箱中增加一个信息反馈电子组件，该组件通过距离传感器判断垃圾桶是否集满，然后把信息发送给组件中的处理器，处理器通过通信模块把当前垃圾桶的信息（信息包括：时间，垃圾桶编号，是否集满等地）传到城市管理中心的服务器上，服务器通过垃圾桶编号查询到该垃圾桶所在位置，然后把相关信息发送给负责这一区域的环卫工人。在工人收集完垃圾后，垃圾桶上面的传感器模块判断出垃圾已被收集，把情况通过网络上传到服务器。过程如图1.2.1所示。

通过记录的数据就能分析出该地区的每天产生多少垃圾，需要分派多少工人，以及工人每天的工作量，工作效率等等情况。

工作流程图：

云服务器1号垃圾桶编号0011号垃圾桶编号0021号垃圾桶编号003环卫工人 图1.2.1

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档[作品名称] 第二章 特色与创新

2.1 产品优势和创新点

第三章 传统垃圾桶：费时费力，需要一线工作的环卫工人逐个查看垃圾是否集满，然后收集垃圾。

图2.1普通垃圾桶

智能垃圾桶：垃圾桶联网，自动判断是否集满，及时快速的把信息反馈给管理中心，然后城市管理中心再把相关信息通过网络传给一线工人，省心省力，效率高。垃圾桶产生的大数据经过分析后，帮助有关部门更好的进行城市的环保清洁工作。

图2.2智能垃圾桶

我组设计的智能垃圾桶，采用TI公司的cc3200开发板作为控制模块，该板具有内置WI-FI功能的无线MCU，集成了ARMCortex-M4内核，以及电源管理子系统，具有低功耗，安全性高，使用简单的优点。

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档[作品名称] 第四章 功能规划

4.1 垃圾桶部分

如图3.1所示，本项目包括主要三个部分，智能垃圾桶，服务器，和配套的Android APP。

垃圾桶上面装一个红外距离传感器（夏普GP2Y0A21YK0F）与cc3200的II2总线模块相连传输数据，cc3200接收到数据后，当测出与桶里垃圾的距离小于一定阈值时，传感器向CC3200具有中断的I/O引脚发出中断信号。当CC3200接收到有效的引脚中断信号时,将处理相应中断,并使能片内Wi-Fi无线处理模块,将相应的报警信息通过无线网络发送到服务器，服务器再把数据转发到手机，然后手机的app显示出要处理的垃圾桶编号具体位置等信息。

然后等垃圾桶内垃圾被清理完后，传感器测出与桶里垃圾的距离大于一定阈值时，通过同样的过程后，cc3200的Wi-Fi无线处理模块将信息通过无线网络发到服务器上，供手机端查询。

智能垃圾桶网络编程传感器驱动智能垃圾桶网络编程传感器驱动智能垃圾桶网络编程传感器驱动WIFI无线网络WIFI无线网络WIFI无线网络无线路由器服务器服务器与手机客户端的数据交互服务器与垃圾桶端的数据交互Android手机客户端垃圾处理情况处理程序Http客户端驱动程序图3.1

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档[作品名称] 3.1.1 垃圾桶机械设计:

如下图所示，在垃圾桶顶部放置一个测距传感器用来实时测量与垃圾的距离，同时把测量数据传到CPU进行处理，最后把数据通过路由器传到手机端。

红外测距模块垃圾入口垃圾桶

图3.1.1

3.1.2垃圾桶电子控制设计：

组件构成：红外测距模块（图3.1.2.1所示）+cc3200开发板（图3.1.2.2所示）+WiFi通信模块。

图3.1.2.1GP2Y0A21YK0F传感器

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档[作品名称]

图3.1.2.2CC3200-launchxl 开发板

实现过程：红外测距模块每隔5分钟检测一次与桶中垃圾的距离，当距离小于一定值时，说明垃圾桶集满了垃圾，然后通过WIFI无线模块把报警信息上传到服务器，服务器再把信息转发到手机客户端。 3.2 手机客户端设计

3.2.1 APP功能设计

App负责向工人显示以下信息： 1．工人负责管理的城市区域。

2.需要收集的垃圾桶的编号，位置，数量。 3.今天完成的任务量。

3.2.2 APP工作流程

App网络层负责接收从服务器传来的数据，当接收到垃圾桶满的报警信息后，把信息传到界面层，界面层显示出等待收集的垃圾桶的编号位置等信息。

另外App打开时自动向服务器查询已处理的垃圾桶的数据，并在屏幕上显示该工人当天的工作量（已处理多少垃圾桶）。 4.2 服务器部分

服务器主要承担垃圾桶端的管理和报警信息的转发功能，并且能够及时行营并处理终端（手机）的请求。功能主要包括以下两个部分：

1．嵌入式设备客户端与服务器交互。服务器接收垃圾桶端的报警信息。 2. Android手机客户端与服务器的数据交互。服务器将报垃圾桶端的报警信息转发到手机客户端。

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档[作品名称] 4.2.1 服务器结构

垃圾桶端与服务器，手机客户端与服务器的数据交互方式都采用C/S(客户端/服务器)点对点的架构模型。C/S架构师IP网络上一个非常重要的架构，他将服务请求功能和服务提供功能分开。客户端通过向服务器发送请求信息，服务器收到请求后将请求内容返回给客户端实现两者的数据交互。过程如图3.2.1所示。

数据请求数据请求垃圾桶端数据应答服务器数据应答智能手机端数据操作请求数据获取数据库

图3.2.1

第五章 硬件组成

5.1

5.1.1

项目所用硬件组成

核心控制

TI公司 CC3200-launchxl 开发板，图4.1.1所示。

CC3200是Ti公司具有内置Wi-Fi连接的单片机,同时还集成了强大功能的Arm Cortex-M4内核。CC3200内部MCU子系统包含了UART、I2S、I2C、SD/MMC和4通道的ADC及多个可以复用的IO口。CC3200支持基站、AP和Wi-Fi直连模式，还支持WAP2和WPS2.0协议。片上的Wi-Fi网络子系统包括一个内嵌的TCP/IP和TLS/SSL协议,并支持HTTP服务。

CC3200丰富的接口可以支持距离传感器数据的采集，CC3200的Wi-Fi网络功能可以将数据通过路由器传到手机端。而且CC3200还具有数据加密功能，保证数据传输的安全性。

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4.1.1 全国大学生物联网设计竞赛设计文档[作品名称] CC3200-launchxl 开发板

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图 全国大学生物联网设计竞赛设计文档 第一章 5.1.2 外围感知组件

夏普GP2Y0A21YK0F红外测距模块：

GP2Y0A21YK0F传感器的内部模块图解，如图4.1.2所示：

图4.1.2夏普GP2Y0A21YK0F内部电路图

它是由红外发射管和一个PSD（Position Sensing Device 位置敏感检测装置）以及相应的计算电路构成，它可以检测到光点落在它上面的微小位移，分辨率达微米，正是利用这个特性实现了几何方式测距。红外发射管发出的光束，遇到障碍无反射回来，落在PSD上，构成以等腰三角形，借助于PSD可以测得三角形的底，而两个底角是固定的，有发射管确定，此时可通过底边推算出高，也就是我们所要的距离。

第六章 软件架构和开发环境

6.1

软件架构.

本项目的软件架构共包括三个部分，垃圾桶端的设计，Android App设计和服务器软件的设计。 6.1.1

垃圾桶电子控制程序设计 主程序流程图：

1

全国大学生物联网设计竞赛设计文档 第一章 开始CC3200微控制器初始化：系（1）时钟配置，中断配置（2）按键，Led灯I/O初始化统（3）UART模块初始化初GP2Y0A21YK0F传感器初始化始（1）I2C模块初始化化（2）I/O口中断唤醒功能设置部（3）传感器寄存器的参数配置CC3200Wi-Fi模块初始化分（1）配置WIFI模块为默认状态（2）组装数据包（TCP+HTTP)（3）网络相关参数配置 WI-Fi无线局域网连接（1）启动CC3200Wi-Fi模块（2）连接到无线路由器AP（3）启动IP自动获取，并等待获取IP系统进入日常工作状态将报警信息发送给服务器否垃圾桶中垃圾高度是否超（1）新建TCP Socket过阈值，产生中断？是（2）链接到远程WEB服务器（3）连接成功后，发送报警信息（4）发送成功后，断开TCP Socket图5.1.1

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档 第一章 5.1.1.1 GP2Y0A21YK0F红外传感器驱动设计

1．测距GP2Y0A21YK0F传感器的技术指标分析：

距离与输出信号的关系图

分析：通过图形可以看到图形从整体上看是非线性的，但是这个模拟量在传感器内部有处理电路，本项目中测距的区间是20cm-80cm，可以把20cm-80cm之间分段近似成线性关系处理。当cc3200得到传感器的传入的数据，即通过下面的程序求出距离。

Int distance(inti){ // i表示传感器传入的数值

if(i>=20&&i<=31)

{num=-2.5*i+130;} else if(i>=31&&i<=39)

{num=-1.428*i+95.714;} else if(i>=39&&i<=48)

{num=-1.111*i+83.333;} else if(i>=48&&i<=54)

{num=-0.833*i+70;} else if(i>=54&&i<=69)

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档 第一章 {num=-0.357*i+44.286;} else if(i>=69&&i<=90)

{num=-0.227*i+35.455;} else if(i>=90&&i<=126)

{num=-0.147*i+28.235;} Returnnum; }

返回的num即是要测定的距离。

5.1.1.2 wifi通信程序设计

Wi-Fi无线通信的流程也就是工作节点（station）无线接入点（AP）的链接过程。首先初始化CC3200的WI-Fi模块并配置位station模式，扫描指定的的AP，找到指定的AP后配置参数，再通过认证和关联两个过程和AP建立连接，最后获取IP地址，完成无线局域网的连接。当CC3200连接上指定的AP之后，就可以进行数据的交互。在手机和AP连接上之后，CC3200就能和手机上的配套App进行数据传输。

通信程序流程图：

Cc3200模块端初始化系统配置SimpleLink启动SimpleLink创建TCP套接字绑定网络端口监听TCP连接设置非阻塞模式接受APP端的TCP连接发送TCP数据包关闭套接字返回

图5.1.1.2

2

全国大学生物联网设计竞赛设计文档 第一章 5.1.2 android APP设计

App主要有两大模块:

1. 界面模块：通过屏幕向使用者显示具体信息

2. 数据通信模块：通过WIFI无线网络接收来自垃圾桶cc3200模块传来的数据，解析后传给界面模块调用。

5.1.2.1 界面部分

界面简图：

图5.1.2.1

界面组成：包括4个Lable（标签），3个TextView（文本显示区域）。

5.1.2.2 通信部分

通信程序流程图：

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档 第一章 Android app端创建TCP套接字绑定网络端口向cc3200端发送TCP数据包接收返回TCP数据包关闭TCP套接字返回

图5.1.2.2

5.1.3 服务器软件设计

利用Servlet+tomcat服务软件在电脑上建立一个服务器。

软件结构图：

Tomcat服务器Servlet服务程序PostGetPost结果返回Post请求Get请求Get结果返回客户端客户端 图5.1.3

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档 第一章 5.2 开发环境介绍

5.2.1嵌入式开发

嵌入式开发部分使用的是Code Composer Studio 6.1.2：

Code Composer Studio 包含一整套用于开发和调试嵌入式应用的工具。它包含适用于每个 TI 器件系列的编译器、源码编辑器、项目构建环境、调试器、描述器、仿真器以及多种其它功能。 5.2.2 Android App开发

Android App开发使用的是Eclipce+AndroidSDK

Eclipse 是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台。就其本身而言，它只是一个框架和一组服务，用于通过插件组件构建开发环境。Eclipse通过ADT和谷歌公司的提供的android SDK结合便可以开发android app。

6 数据传输技术应用

6.1 应用的数据传输技术

CC3200模块与服务器之间，服务器与手机客户端之间的通信是通过WIFI技术实现的。

Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。

WIFI标准包括IEEE 802.11a，IEEE 802.11b，IEEE 802.11g，IEEE 802.11n。主要频段有ISM 2.4GHz，ISM 5GHz。

CC3200开发板包含了802.11b/g/n的WIFI驱动，工作频段ISM 2.4GHz

，与现在的主流android手机的WIFI功能有很好的兼容性。

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全国大学生物联网设计竞赛设计文档致谢 参考文献

[1] CC3200WIFI 微控制器原理与实践沈建华北京工业大学出版社 [2] Android应用开发深入学习实录关立勋等电子工业出版社

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8z4o.html