Интеллектуальное умное мусорное ведро: оптимизация сбора отходов с IoT-датчиками

Умное мусорное ведро — это IoT-решение, использующее множество датчиков для мониторинга статуса ведра в реальном времени, предотвращающее переполнение и снижающее воздействие на окружающую среду.

История

Контекст

Эффективное управление отходами критично для защиты планеты. В общественных местах и природных заповедниках многие люди игнорируют оставляемые ими отходы, и без своевременного сбора мусор накапливается, вредя экосистемам. Даже защищённые территории под угрозой, когда мусор остаётся без присмотра.

Загрязнение отходами

Для сохранения природных сред необходимы хорошо управляемые пункты сбора мусора. Ведра должны опорожняться до переполнения, что может быть сложно на удалённых тропах или труднодоступных локациях.

• Частое опорожнение предотвращает переполнение и снижает риск разброса мусора.
• Автоматизированный мониторинг устраняет гадание, обеспечивая своевременный сбор.

Переполнение отходов

• Правильная сортировка жизненно важна: органические отходы могут компостироваться естественно, а неорганические требуют специализированной утилизации.
• Умный мониторинг поддерживает эффективную сегрегацию и восстановление ресурсов.

Цель проекта

Наша цель — предоставить надзорное устройство, которое держит мусорные ведра в оптимальном состоянии, интегрируя несколько датчиков для непрерывного отслеживания их статуса.

• Датчик уровня (ультразвуковой) — оповещает бригаду сбора, когда ведро приближается к вместимости.
• Датчик температуры и влажности (DHT11) — контролирует внутреннюю среду, критичную для здоровья компоста и предотвращения пожаров.
• Огонь-детектор (KY‑026) — обнаруживает потенциальные пожарные риски, защищая окружающие экосистемы.
• Датчик влажности (кастомный медный зонд) — обеспечивает оптимальную влажность для компостирования.
• Датчик открытия (мини микровыключатель) — записывает использование крышки и обнаруживает неправильное закрытие.
• Система локализации (Sigfox 100 м) — определяет позицию ведра, ускоряя реагирование и позволяя временное развёртывание на пляжах, лыжных склонах или мероприятиях.

Ведро имеет два отсека: для неорганических отходов и для органических, проходящих компостирование.

Разделённое мусорное ведро

Использование Sigfox

Установленное в изолированных зонах, ведро работает от батареи, опционально дополняемой солнечной панелью. Sigfox выбран за преимущества:

• Широкое покрытие, идеальное для крупномасштабных развёртываний.
• Достаточная полезная нагрузка для наших данных.
• Локализация 100 м устраняет необходимость GPS-модулей.
• Низкое потребление энергии, продлевающее автономную работу.

Детали проекта

Метод проектирования железа

Ниже представлен высокоуровневый обзор процесса проектирования и аппаратных компонентов.

Этапы проекта

Шаг 1: Понять Sigfox

Sigfox соединяет устройства с IoT-сетью, работая в 45+ странах с более чем 3 млн устройств. Каждое сообщение до 12 байт, максимум 140 аплинк и 4 даунлинк сообщений в сутки.

Шаг 2: Подбор железа

• Arduino MKR Fox 1200
• Мини микровыключатель
• HC‑SR04 — Ультразвуковой датчик
• DHT11 — Датчик температуры и влажности
• KY‑026 — Модуль датчика пламени
• Кастомный медный датчик влажности (см. детали)
• Raspberry Pi 3 Model B (для бэкенд-сервера)

Шаг 3: Подключение и раскладка железа

См. схему ниже для назначения пинов Arduino MKR Fox 1200.

Подключение к Arduino MKR Fox 1200

• Мини микровыключатель – C к GND, NC к Pin 3
• DHT11 – VCC к 5V, GND к GND, DATA к Pin 2
• HC‑SR04 – VCC к 5V, GND к GND, Trigger к Pin 9, Echo к Pin 10
• KY‑026 – VCC к 5V, GND к GND, DATA к A0
• Датчик влажности – VCC к 5V, GND к GND, SIG к A1

Шаг 4: Arduino-код

Установка Arduino IDE: Скачать здесь

Получение кода: GitHub репозиторий

Установка платы и библиотек:

• Плата: Arduino SAMD Boards (32-бит ARM Cortex-M0+)
• Библиотеки: Arduino Low Power, Arduino Sigfox for MKR Fox 1200, DHT sensor library, Adafruit Unified Sensor Driver, RTCZero

Ключевые функции:

• setup() — инициализирует Sigfox, DHT11 и ультразвуковой датчик.
• loop() — проверяет статус крышки; когда закрыта, считывает данные датчиков и шлёт пейлоад через Sigfox.
• sendPayload() — упаковывает значения датчиков в 12-байтовое сообщение и передаёт его.

Скомпилируйте и загрузите скетч, убедившись, что плата установлена на Arduino MKR Fox 1200.

Шаг 5: Активация устройства

Активируйте Sigfox-модуль здесь: https://buy.sigfox.com/activate. Следуйте подсказкам для регистрации устройства.

Шаг 6: Отправка данных

После активации запустите Arduino-скетч снова. Проверьте, что данные появляются в Sigfox бэкенде: https://backend.sigfox.com/device/list.

Шаг 7: Сервер приложений

Raspberry Pi 3 Model B служит сервером приложений, запускающим Node‑RED, MariaDB и веб-интерфейс.

Шаг 8: Бэкенд на Node‑RED

Установите Node‑RED по официальному гайду: https://nodered.org/docs/getting-started/installation. Добавьте пакет node-red-node-mysql через npm.

Node‑RED принимает Sigfox-сообщения, сохраняет их в MariaDB и передаёт данные на веб-дашборд.

Шаг 9: База данных — MariaDB

Установите MariaDB на Pi:

• Raspbian: ссылка
• Другие ОС: ссылка

Шаг 10: Фронтенд-приложение (веб-сайт)

Веб-сайт визуализирует реальные данные со всех ведер, позволяя быстро принимать решения сборщикам мусора.

3D-печать

Кастомные 3D-печатные корпуса размещают электронику и защищают датчики. Шаги сборки:

1. Установите DHT11 в точке 1 и закройте деталью «DHT11 maintain».
2. Поместите HC‑SR04 в точку 2, прикройте деталью «interior».
3. Установите KY‑026 в точку 3 поверх interior-детали.
4. Установите датчик влажности в точку 4.
5. Поместите Arduino MKR Fox 1200 в точку 5.
6. Вставьте мини микровыключатель в деталь «middle top», запечатайте деталью «opening detector».
7. Прикрепите деталь «support» к «base» и вложите антенну внутрь.
8. Соедините «support» с основным корпусом и закройте панелями «middle top», «front top», «back top».

Возможные дополнительные функции

• Регулируемая высота ведра, отображаемая на мониторе, позволяющая развёртывание на ведрах разного размера.
• Улучшенная сегрегация отходов, различающая органические и неорганические материалы.
• Реальное отображение уровня заполнения на ближайшем экране для информирования пользователей.
• Солнечная автономная батарейная система для off-grid работы.
• Активный экологический контроль: автоматическая подача воды и вентиляционные створки для оптимизации компостирования.

Заключение

Умное мусорное ведро доставляет данные-ориентированный подход к управлению отходами, снижая человеческие усилия и экологический вред. Предоставляя реальные инсайты в статус ведра, температуру, влажность, влажность компоста и риск пожара, система позволяет проактивно планировать сбор и эффективно использовать ресурсы.

Для живых демо посетите: https://grit.esiee-amiens.fr:8069/smartbin/

Благодарности

King Mongkut's University of Technology Thonburi (KMUTT) — за проведение 7-недельной обучающей программы и поддержку студентов Электронной и Телекоммуникационной инженерии и Компьютерной инженерии.

ESIEE-Amiens — за предоставление лабораторного пространства, оборудования и менторства, позволивших практическую разработку проекта.

Особая благодарность Nicolas DAILLY (супервизор), Thérèse ABY (ко-супервизор), Stéphane POMPORTES, Nicolas HENOCQ (материалы для датчика влажности) и Moustapha KEBE (направление веб-разработки).

Источник: Smart Waste Bin