多功能智能垃圾桶的創(chuàng)新設(shè)計

陳寧昕 楊佳睿 董英浩 彭小菲 李東朔 李春偉

摘要：針對市場上垃圾桶存在的功能單一等問題，本文基于智能化的設(shè)計理念，提出設(shè)計一款多功能智能垃圾桶，可實現(xiàn)垃圾智能識別、環(huán)境監(jiān)測、殺菌消毒、聲控尋跡、自動開蓋、太陽能供電、語音提醒及麥克納姆輪等多種功能，該垃圾桶的設(shè)計方案具有一定的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：多功能垃圾桶；智能識別；環(huán)境監(jiān)測；殺菌消毒

中圖分類號：TB472 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2020） 11-0087-03

基金項目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S202010225075）

Innovative Design of Multifunctional Intelligent Dustbin

CHEN Ning-xin， YANG Jia-rui， DONG Ying-hao， PENG Xiao-fei， LI Dong-shuo， LI Chun-wei（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： In view of the single function of the dustbin in the market， based on the intelligent design concept， this paper proposes to design a multi-functional intelligent dustbin， which can realize the functions of garbage intelligent identification， environmental monitoring， sterilization， voice tracking， automatic cover opening， solar power supply， voice warning and Mecanum wheel. The design scheme of the dustbin has certain promotion and use value value.

Keywords： multifunctional dustbin； intelligent recognition； environmental monitoring； sterilization

引言

隨著社會的發(fā)展，垃圾分類已經(jīng)成為一個需要迫切解決的熱點問題。2019年7月1日起，上海步入“強制”垃圾分類時代，全市城管執(zhí)法系統(tǒng)全面貫徹實施《條例》，聚焦“分類投放、分類收集、分類運輸、分類處置”四個環(huán)節(jié)，深入開展生活垃圾分類執(zhí)法行動，為促進生活垃圾源頭減量和資源循環(huán)利用提供有力的執(zhí)法保障。同時，實行垃圾分類，關(guān)系廣大人民群眾生活環(huán)境，關(guān)系節(jié)約使用資源，也是社會文明水平的一個重要體現(xiàn)[1-3]。國家越來越重視垃圾分類，百姓也應(yīng)當(dāng)積極響應(yīng)國家的號召。但突如其來垃圾分類對于普通市民來說，確實是一項棘手的任務(wù)。因此，為了節(jié)約時間，方便百姓生活，設(shè)計和研發(fā)一款可智能分類的多功能垃圾桶具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前，中國已有學(xué)者開始研究智能分類垃圾箱，例如，通過樹莓派進行垃圾識別再投放，從而達到分類的效果。但是這種僅僅具有單一功能的垃圾桶已無法滿足人民生活的需要，基于此，本文提出設(shè)計一款具有多種功能的智能垃圾桶，以期為解決垃圾回收問題提供一定的理論支撐和技術(shù)借鑒。

1 設(shè)計思路

針對目前市場的垃圾桶的存在的問題進行分析[4-6]，結(jié)合市場情況的調(diào)查，提出設(shè)計一款多功能智能垃圾桶，將多種實用性功能集于一體，最終達到“一桶多用”的目的。多功能智能垃圾桶的設(shè)計思路：首先針對垃圾桶的總體結(jié)構(gòu)進行整體布局，然后對各功能的實現(xiàn)路徑和手段進行大致規(guī)劃，再將每項功能進行獨立性設(shè)計并加以實現(xiàn)，最終給出能夠集垃圾精準(zhǔn)分類的多功能智能垃圾桶的設(shè)計方案。

2 功能實現(xiàn)

2.1智能識別功能

采用二元分類的策略將垃圾分為干垃圾與濕垃圾兩類，具體可采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)圖片分類的功能。智能垃圾桶總體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能識別功能實現(xiàn)步驟如下：

1）在托盤上安裝一個與樹莓派相連接的壓敏電阻。垃圾被扔入垃圾桶后，通過壓敏電阻，給樹莓派一個控制信號。樹莓派與攝像頭連接，然后控制攝像頭拍照。

2）拍完的照片再傳給樹莓派，輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，再由卷積層對垃圾圖

像進行特征提取，然后經(jīng)由池化層對得到的特征圖像進行降為處理，由激勵層做出非線性映射，然后由全連接層對多個特征值進行整合，最后由輸出層進行分類。工作流程如圖2所示。

3）分類結(jié)果傳入Arduino，然后操縱電機進行轉(zhuǎn)動。

2.2監(jiān)測環(huán)境功能

該款智能垃圾桶裝配著空氣品質(zhì)監(jiān)測儀，能夠?qū)κ覂?nèi)溫度、濕度與VOC氣體的實時采集處理、顯示、報警等功能。

該功能的實現(xiàn)步驟如下：1）以單片機stm32f103zet6為核心，選擇溫度傳感器LMT70，并用鋰電池給儀器供電。2）利用MCU進行數(shù)據(jù)采集，保證前臺數(shù)據(jù)的及時、準(zhǔn)確，有利于進行全方位的評價。3）顯示部分采用LCD1602顯示屏，循環(huán)顯示各項測量值的上下限及實際濃度、實際溫度、濕度。并在按鍵選擇情況下連續(xù)顯示一個測量值的變化。4）當(dāng)有害氣體濃度超出安全范圍時進行聲光報警。5）按鍵操作可進行測量值范圍的調(diào)整，及手動和自動測量的轉(zhuǎn)換。

2.3殺菌消毒功能

新型冠狀病毒肺炎爆發(fā)，衛(wèi)生安全格外重要。由于垃圾中可能包含廢棄口罩等物品，為防止病毒擴散，在垃圾桶內(nèi)安裝紫外線燈，可使該垃圾桶具有殺菌消毒功能。

該功能的實現(xiàn)過程如下：在垃圾桶頂部的蓋子內(nèi)側(cè)裝置兩個長型管狀的紫外線燈管。使用者可以根據(jù)需要，隨時選擇消毒時間。為保護燈管，打開開關(guān)的一小時后，紫外線燈將會自動熄滅。在燈管的電源接一個控制開關(guān)，控制開關(guān)連接Arduino，Arduino內(nèi)部設(shè)置延時30分鐘，即可實現(xiàn)該功能。紫外線燈管如圖3所示。

2.4聲控尋跡功能

智能垃圾桶配備有聲控尋跡功能，不僅可以節(jié)省家庭垃圾桶數(shù)量，實現(xiàn)資源最大化利用；另一方面還可以大大提高扔垃圾的便捷程度，提升家庭生活幸福感。

該功能的具體實現(xiàn)過程：首先在地上規(guī)劃出垃圾桶的運動路徑（客廳到廚房、客廳到臥室等），然后在垃圾桶上裝置紅外尋跡模塊和聲控裝置。紅外尋跡模塊與聲控裝置連接Arduino，并設(shè)置好語音控制命令（“過來廚房”、“過來臥室”等等）。Arduino連接垃圾桶底部輪子上的電機。例如，當(dāng)使用者發(fā)出“過來廚房”指令，垃圾桶將會根據(jù)設(shè)定好的路徑移動到廚房。

2.5自動開關(guān)蓋功能

智能垃圾桶的自動開關(guān)蓋功能的實現(xiàn)過程：在垃圾桶正面安裝紅外線傳感器，并連接Arduino。當(dāng)使用者的手靠近垃圾桶正面時，紅外線傳感器檢測到手部經(jīng)過感應(yīng)區(qū)域，然后將信號傳入Arduino。Arduino控制舵機，打開垃圾桶。

2.6太陽能供電功能

智能垃圾桶的太陽能供電功能的實現(xiàn)過程：在垃圾桶的頂部安裝太陽能電池板，連接垃圾桶內(nèi)部的電源。在陽光充足的情況下給電源蓄電。同時安裝備用電源，在連續(xù)陰天的情況下，由備用電源直接供電。

2.7語音提醒功能

智能垃圾桶的語音提醒功能的實現(xiàn)過程：在垃圾桶內(nèi)的上方安裝一個位置傳感器并連接Arduino，其中位置傳感器選擇接近式傳感器。當(dāng)垃圾桶中的垃圾接近設(shè)定的位置時，傳感器發(fā)出“動作”信號傳給Arduino。Arduino再將信號傳入語音播報系統(tǒng)，就可以發(fā)出語音，提醒使用者打包垃圾并更換垃圾袋。

2.8麥克納姆輪功能

麥克納姆輪的全方位運動設(shè)備可以實現(xiàn)在有限的空間內(nèi)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運動方式。可以在垃圾桶底部安裝四個麥克納姆輪，使垃圾桶在聲控尋跡的過程中可以靈活運動。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款集垃圾智能識別、環(huán)境監(jiān)測、殺菌消毒、聲控尋跡、自動開蓋、太陽能供電、語音提醒及麥克納姆輪等多種功能為一體的智能垃圾桶。它不僅為人民生活提供了便利，而且對于節(jié)約能源及環(huán)境保護也具有一定的積極意義，可為各類人群及多種應(yīng)用場合提供更科學(xué)便捷的服務(wù)。

參考文獻：

[1] 楊秀秀， 馬利兵， 孟春陽， 等. 智能分類垃圾箱系統(tǒng)設(shè)計[J]. 黑龍江科技信息， 2015（24）：82-84.

[2] 鮑中山， 孟玲霞， 曾凡浩. 智能分類垃圾箱設(shè)計[J]. 高校實驗室科學(xué)技術(shù)， 2019.

[3] 韓曉靜， 修友祺. 智能分類垃圾箱的簡單設(shè)計[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇， 2017， 016（003）：84-85.

[4] 石園園， 陳偉. 引導(dǎo)式智能分類垃圾箱[J]. 包裝工程， 2019， 40（02）：271.

[5] 楊凱程， 施允洋. 一種新型智能垃圾桶設(shè)計[J]. 機電信息， 2019， No.603（33）：148-149.

[6] 尹泊允. 一種家用語音控制分類垃圾桶的設(shè)計[J]. 科技風(fēng)， 2019（16）.