多功能智能分類垃圾桶的設計

閆俊伢 元圓夢

（山西大學商務學院 信息學院 山西省太原市 030031）

生活垃圾污染一直是社會關注問題之一。自2019年起在全國地級及以上城市全面正式啟動生活垃圾分類，加快建立分類投放、收集、運輸、處理的垃圾處理系統，加快提高生活垃圾的收集、分類，已經成為社會發展重要問題之一[1]。在調查分析的基礎上，為響應社會需求，設計多功能智能分類垃圾桶。

1 設計技術

“多功能智能分類垃圾桶”的核心是智能識別系統，智能識別系統由微電腦控制芯片、自然光虹膜圖像識別、紅外傳感探測裝置組成。微電腦控制芯片采用目標檢測、顯著性檢測、分類、目標跟蹤、顏色校正等多種算法。該設計是通過智能識別系統來進行分辨分類，將干垃圾、濕垃圾、可回收垃圾等，以各式各類的形狀和種類的圖片提前存入系統。垃圾投入后，識別系統通過紅外傳感探測裝置以及自然光圖虹膜像識別，將掃描到的垃圾與系統預先存入的圖片進行對比，將識別到的垃圾與對應垃圾箱匹配后，利用分離系統進行再一次分類。

2 設計過程

該設計由智能識別系統、分離系統、4 個主體垃圾存儲箱、螺線管、供電系統以及集成模塊組成，具體運行方式為：

垃圾投入——通過與智能識別系統中預存信息對比，做出正確分類；

電路控制——智能識別系統發出指令控制螺線管通電；

垃圾分類——螺線管在接通電源后，產生磁性，吸引周邊鐵架，通過通電螺線管使相對應擋板打開，垃圾將會進入對應的垃圾存儲箱，實現垃圾正確分類。

2.1 設計原理

該設計最大程度上確保垃圾正確分類。垃圾投入時，當人體或物件在智能垃圾桶感應識別的范圍（30-40cm）之內時，微電腦控制芯片中的目標跟蹤算法以及紅外線探測裝置就會啟動，桶蓋自動打開；當垃圾投入時，智能識別系統會進行識別，通過通電螺線管確保垃圾正確分類；當人體或物件離開感應區時，桶蓋自動關閉。

2.2 設計功能

“多功能智能分類垃圾桶”由智能識別系統、主體垃圾存儲箱、螺線管、分離系統以及供電系統、集成模塊[2]六部分組成。多功能智能分類垃圾桶功能結構圖如圖1所示。

2.2.1 智能識別系統

智能識別系統由微電腦控制芯片、自然光虹膜圖像、紅外傳感探測裝置三部分組成；

圖1：多功能智能分類垃圾桶功能結構圖

圖2：垃圾桶外觀圖

智能識別系統主要對事物進行正確的識別和分類。將各類垃圾的信息掃描錄入到事物的隸屬函數中（隸屬度表示對象隸屬某一類的程度），經過目標檢測算法、顯著性檢測算法、分類算法、目標跟蹤算法等一系列計算，分辨出垃圾類型，從而進行正確分類。

（1）微電腦控制芯片：用來存儲不同形狀不同種類的圖片。

（2）紅外傳感探測裝置：投入垃圾之后，系統將掃描到的垃圾信息迅速與系統中預先存儲的信息進行對比識別，將識別到的垃圾與垃圾存儲箱進行匹配，以確保垃圾進行后續分類。

（3）自然光虹膜圖像識別：利用顏色校正算法對光照下的垃圾進行顏色、實體特征校對。光照下的虹膜圖像差異、背景等都會導致圖像顏色的一個偏差[3]。這一識別技術將能夠很好的消除此影響，確保最大程度獲取物體特征。

圖3：產品分解圖

2.2.2 分離系統

分離系統采用擋板式，主體箱的擋板都是獨立的，互不影響。這四塊擋板均是受支架和螺線管的控制，螺線管和智能識別系統在通電情況下互相連接。有垃圾扔投入時，識別系統會正確識別投入垃圾的類型。

2.2.3 垃圾存儲箱

將垃圾分類干垃圾、濕垃圾、有毒垃圾以及未識別垃圾[4]。

2.2.4 螺線管

螺線管常用于通過導通或切斷電流的方式來操縱與擋板支架相連接。

2.2.5 供電系統

主要為其供電所需，采用高密度聚合物電池，比普通電池持久20%以上，電池循環次數也增加200 多次。

2.2.6 集成模塊

此模塊集成了存儲模塊、LED 顯示、顯示模塊和單片機。

3 設計效果

根據設計功能結構圖，利用C4D 技術設計出產品概念圖。

在“多功能智能分類垃圾桶”表面設有開關鍵、屏幕顯示屏以及LED 顯示燈。正面圖如圖2(A)所示，在背面設有充電孔，用來為垃圾桶集中供電，背面圖如圖2(B)所示。在桶蓋還設有屏幕顯示屏，用來顯示扔入垃圾是哪一類；顯示屏內部有集成電路板，用來正確分類垃圾以及感應識別人體或物體。顯示屏外觀圖如圖2(C)所示，在顯示屏內部有集成電路板，用來正確分類垃圾以及感應識別人體或物體，顯示屏內部連接圖如圖2(D)所示。

在“多功能智能分類垃圾桶”桶身設有LED 顯示燈，顯示燈中部設置有拍攝裝置，用來顯示桶內垃圾是否滿溢。

（1）當桶內4 個桶箱均為空時，LED 顯示為綠色；當桶內4個桶箱全滿時，LED 顯示為紅色；

（2）當桶內干垃圾滿時，LED 顯示為藍色；當桶內濕垃圾滿時，LED 顯示為黃色；當桶內有毒垃圾滿時，LED 顯示為紫色；當桶內未識別垃圾滿時，LED 顯示為黑色。

“多功能智能分類垃圾桶”產品分解如圖3所示。

4 結語

該設計以智能識別系統為核心，筒身全智能化[5]。除此之外，桶蓋采用LED 顯示屏，當桶內垃圾裝滿或為空時，LED 燈會顯示相應燈光，滿足了人們日常生活中對垃圾識別分類的需求；采用紅外線探測感應裝置以及多種算法，將人們從數量龐大的垃圾分類中解放，有效提高垃圾分類效率與正確率，適用于家庭、辦公等場所，設計的智能化多功能垃圾桶極大滿足了用戶需求。多功能智能分類垃圾桶可以有效培養人們環保意識，改善環境問題，提高工作效率，垃圾的正確分類可以確保二次回收，使資源可以重復利用，即節約能源變廢為寶，在保證智能化同時取得良好的經濟效應、社會效應與環境效應。