基于物联网技术的校园公共垃圾桶智能优化设计与实践研究

一、引言

1.1 研究背景

校园建设升级使师生与生活垃圾量同步增长，以上海某中学为例，3200余名师生用 42 个公共垃圾桶，日均人工清运 2-3 次。传统垃圾桶无满溢监测，2023 年该校每月满溢投诉 12-15 起， 30% 清运无效，增加保洁负担且影响校园卫生。物联网技术虽为智能管理提供路径，但多数校园仍用“人工巡检 + 固定清运”模式，效率低、资源浪费。

图1 传统垃圾桶出现垃圾溢出、异味扩散等问题

1.2 研究意义

本研究设计的“物联网公共垃圾桶”方案，能实时监测满溢程度与异味浓度，通过校园局域网传至后勤平台实现“按需清运”。测算显示，方案落地后可减少 30% 无效清运，年省保洁成本约 2.4 万元，满溢问题减少 90% 以上，改善校园环境，降低健康风险。

1.3 创新点

1. 成本创新：采用“ESP32-C3 开发板 + 超声波传感器 +LoRa 模块”，单套成本≤150 元，仅为商用产品1/3，适合大规模推广；

2. 功能创新：新增 MQ-135 异味传感器，解决传统监测“只看容量、不看质量”问题；

3. 场景适配：太阳能（5V/1W） + 锂电池（18650， 2000mAh ）供电，单次充电运行30 天以上。

二、文献综述

2.1 研究现状

国内 “物联网垃圾桶” 研究始于 2015 年，李城州等（2024）的 NB-IoT 方案单套约 500 元，未考虑校园低功耗；陈彩艳等（2023）方案侧重垃圾分类，无满溢监测与清运优化。P. Singh 等（2022）“Smart Truck” 系统需专用车辆，单套设备 + 车辆改造约 2000 美元，成本高；I. Sosunova 等（2022）的监测系统技术先进，但依赖进口、维护成本高且无中文适配，难在国内校园推广。

2.2 文献评述

现有 “物联网垃圾桶” 核心技术成熟，但存在成本高、功能与校园场景不匹配、缺乏 “监测 - 清运 - 管理” 闭环三大问题。本研究聚焦 “低成本、校园适配、闭环管理”，具有明确价值。

三、假设与方法

3.1 研究假设

基于上述背景与文献分析，提出以下研究假设：

1.“超声波传感器 +LoRa 传输”方案可精准监测满溢（误差 ⩽5% ），单套成本 ⩽150 元；

2. 智能清运算法可减少无效清运，提升保洁效率 30% 以上；

3.“太阳能 + 锂电池” 供电可满足无外接电源需求，单次充电运行 ⩾30 天。

3.2 研究方法

3.2.1 文献研究法

检索 CNKI、Google Scholar 等，筛选 23 篇文献，梳理技术路线与成本。

3.2.2 实验法

1. 硬件搭建：分模块完成物联网垃圾桶的硬件组装，具体包括：

·满溢监测模块：采用 HC-SR04 超声波传感器，安装于垃圾桶顶部，实时测量 “传感器到垃圾表面” 的距离（量程 2-400cm ，精度 0.3cm ）；

·异味监测模块：采用 MQ-135 空气质量传感器，监测垃圾桶内氨气、硫化氢等异味气体浓度（检测范围 10-1000ppm ）；

·数据传输模块：采用 LoRa-E5 模块，通过校园局域网将数据传输至管理平台（传输距离 ⩽500m ，功耗 ⩽10mA ）；

·供电模块：组装 5V/1W 太阳能板 +2000mAh 锂电池，搭配充电管理芯片（TP4056），实现自动充电与过充保护。

图2 物联网垃圾桶

2. 软件开发：

·设备端：使用 Arduino IDE 编写传感器数据采集程序，设定 “满溢阈值”（距离 ⩽15cm 时触发报警）、“异味阈值”（MQ-135 输出电压 ⩾2.5V 时触发报警），数据每 5 分钟采集 1 次，异常时实时上传；

·管理端：采用 Python+Flask 开发 Web 平台，实现状态显示、报警推送、记录统计三大功能。

3. 实地测试：

·测试地点：上海未来科技学校校园内，选取 3 个典型区域的垃圾桶（教学楼一层、食堂门口、操场角落），安装上述设备；

·测试周期：2025 年 7 月 1 日 - 7 月 30 日（共 30 天）；

·测试指标：设备故障率（是否断连、数据是否丢失）、满溢监测准确率

（与人工检查结果对比）、供电续航时间、清运效率变化（测试前后无效清运次数对比）。

3.2.3 问卷调查法

测试结束后，设计《物联网公共垃圾桶使用体验问卷》，面向校园保洁人员（12 人）、师生（200 人）开展调查，共回收有效问卷 198 份。

四、数据记录与分析

4.1 硬件性能数据记录

4.1.1 满溢监测准确率

满溢监测准确率

注：3 次误差均因 “垃圾形状不规则”（如塑料袋凸起）导致传感器误判，后续可通过 “多次采样取平均值” 优化程序，降低误差。

4.1.2 供电续航时间

3 个测试点设备均采用 “太阳能 + 锂电池” 供电，7 月上海平均日照约 6 小时；测试至 7 月 30 日，3 台设备锂电池剩余电量分别为 65% 、 62% 、 68% ，平均65% ，推算单次满电可连续运行 35 天，超 30 天预设目标，满足校园无外接电源需求。

4.1.3 设备故障率

测试期间，仅 1 台设备（操场角落）在 7 月 15 日出现 1 次断连（持续约 2小时），排查后发现是 “LoRa 模块被雨水淋湿” 导致，后续为设备加装防水外壳后，未再出现故障，设备整体故障率为 0.05 次/ 天，稳定性良好。

4.2 清运效率数据记录

由数据可知，基于物联网监测数据的 “按需清运” 模式，有效减少了无效清运——7 月的无效清运次数仅为 6 月的 12.5% ，保洁人员每日工作时长缩短 0.7小时，清运效率提升显著，验证了研究假设 2。

4.3 问卷调查数据分析

1. 保洁人员评价（12 人）

·认为 “设备提升清运效率”：11 人（ 91.7% ）；

·认为 “设备操作简单”：10 人（ 83.3% ）；

·希望 “优化防水性能”：8 人（ 66.7% ）。

2. 师生评价（198 人）

·认为 “垃圾桶满溢问题改善”：185 人（ 93.4% ）；

·认为 “校园异味明显减少”：172 人（ 86.9% ）

·对设备外观满意度：168 人（ 84.8% ）。

问卷结果显示，无论是保洁人员还是师生，均对物联网垃圾桶的效果给予较高评价，同时也提出了 “优化防水性能”“缩小设备体积” 等改进建议，为后续方案完善提供了方向。

五、研究结论

5.1 主要研究成果

1. 实现低成本方案：单套 148 元，满溢准确率 95% ，续航 35 天，验证假设1、3；

2. 形成闭环模式：无效清运减少 87.5% ，保洁效率提升 33.3% ，验证假设2；

3. 获用户认可：师生与保洁评价高，具备推广基础。

5.2 未来展望

1. 推广方案，形成校园标准化方案；

2. 新增垃圾分类积分功能，提升参与度；

3. 对接校园智慧后勤平台，实现一体化管理。

参考文献

[1] 李城州 , 赵文豪 , 陈美玲 . 基于 NB-IoT 的智能垃圾桶系统设计 [J]. 物联网技术 ,2024,14(6):142-144.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2024.06.036.

[2] 陈彩艳 , 田荣英 , 马文娟 , 等 . 高校智能垃圾分类系统研究 [J]. 电脑爱好者（普及版）,2023(3):202-204.DOI:10.12277/j.issn.1673-6931.2023.03.068.

[3] 廖婧 , 韦攀 . 物联网技术在智慧校园的应用研究 [J]. 广西广播电视大学学报 , 2020,31(3):5.

[4]P.Singh and A.Bajpai,"Smart Trucks:An IoT-based Novel Approach for Smart and Effective Waste Management System," 2022IEEE Conference on Interdisciplinary Approaches in Technology and Management for Social Innovation (IATMSI), Gwalior, India, 2022,pp. 1-6,doi: 10.1109/IATMSI56455.2022.10119341.

[5] I. Sosunova and J. Porras, "IoT-Enabled Smart Waste Management Systems for Smart Cities: A Systematic Review," in IEEE Access, vol. 10,pp.73326-73363, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3188308.