節(jié)能交互型智能垃圾桶的設(shè)計

郭心如 郝慧榮 耿正龍 丁智軍 邱洋懿 薛佳樂

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

中國共產(chǎn)黨十九大報告提出著力解決突出環(huán)境問題。近年來，中國加速推行垃圾分類制度，全國垃圾分類工作由點到面、逐步啟動、成效初顯。習(xí)近平主席強(qiáng)調(diào)，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)。垃圾桶是重要的保潔工具，協(xié)調(diào)人與城市環(huán)境關(guān)系，也影響著垃圾回收效率[1]。

1 國內(nèi)外狀況對比

1.1 國內(nèi)外垃圾分類處理分析

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)填埋式垃圾處理方式已經(jīng)難以滿足日漸增長的垃圾處理需要，旨在減量化、資源化的垃圾分類制度成了必然選擇。

西方發(fā)達(dá)國家早在20 世紀(jì)60 年代就開始實施生活垃圾源頭分類，經(jīng)過半個世紀(jì)已經(jīng)形成一套比較完整的分類體系并取得顯著成效。

表1 為國內(nèi)外垃圾分類的對比。中國目前基本處于政府部門主導(dǎo)、全方位管理運(yùn)營、垃圾混合收集階段，一方面增加了垃圾收集運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁浚涣硪环矫嬖黾恿死幚淼募夹g(shù)難度、工程投資和運(yùn)行費(fèi)用。且垃圾分類收集缺乏法律法規(guī)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備設(shè)施支持,宣傳教育工作不到位,民眾認(rèn)知程度低,參與積極性小[3]。

表1 國內(nèi)外垃圾分類的對比[2]

1.2 國內(nèi)外垃圾桶使用分析

目前國內(nèi)公共垃圾桶主要分為固定型和可移動型兩種。形式單一，結(jié)構(gòu)采用了傳統(tǒng)的開放式或手動封蓋式，功能簡單，設(shè)計只完成了中間環(huán)節(jié)，忽略垃圾后續(xù)處理問題，垃圾混裝收運(yùn)現(xiàn)象也嚴(yán)重破壞了可回收物垃圾桶的分類效果[4]。

美國垃圾回收企業(yè)有專業(yè)人員進(jìn)行垃圾分類回收，設(shè)備研發(fā)，運(yùn)用高科技進(jìn)行垃圾分類分解。美國Big Belly Solar 公司發(fā)明了一種智能垃圾桶，通過頂部太陽能為垃圾桶提供電源，壓縮機(jī)在垃圾快倒?jié)M40 秒內(nèi)將其體積壓縮至原來的1/5，等到垃圾滿時又會自動聯(lián)網(wǎng)發(fā)送垃圾桶已滿及地理位置等信息至垃圾處理中心。

日本從1980 年起就開始執(zhí)行垃圾分類，垃圾分類達(dá)8 類513 款，政府制定了一系列法律來規(guī)范國民的垃圾分類，比如高額罰金等。日本公共場所的垃圾桶并排擺放不少于3 個，分類極為詳細(xì),連香煙盒這種垃圾都可以被分成3 種材料丟棄:外包的薄膜是塑料,盒子是紙制,封口的一圈鋁箔是金屬[5]。

在德國，每棟居民樓都配有四種顏色鮮明的垃圾桶。比如,在柏林有藍(lán)、綠、黃和灰四種顏色的垃圾桶。藍(lán)色桶放可回收利用的紙類,綠色桶放玻璃制品,黃色桶放塑料包裝、金屬垃圾和日常廢舊塑料等,灰色桶放有機(jī)垃圾[6]。表2 給出了國內(nèi)外垃圾桶使用的優(yōu)缺點對比。

表2 國內(nèi)外垃圾桶使用的優(yōu)缺點對比

2 垃圾桶硬件設(shè)計

2.1 垃圾桶

圖1 為垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計概念圖。

圖1 垃圾桶結(jié)構(gòu)概念圖

此垃圾桶基于傳統(tǒng)垃圾桶的設(shè)計結(jié)構(gòu)增加了部分機(jī)械裝置和電子智能裝置。該桶將用于垃圾分類的小型垃圾桶置于一個大型桶中，投放垃圾后，垃圾將在一條非常長的通道被掃描判斷。當(dāng)垃圾種類確定后，利用原動機(jī)給予的能量，ECU 發(fā)出指令來控制垃圾桶蓋的閉合和機(jī)械爪手對垃圾的傳送。當(dāng)垃圾即將裝滿時，對其進(jìn)行機(jī)械式壓縮，再次裝滿時，垃圾桶自動連接物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)提醒相關(guān)人員及時清理垃圾。

2.2 機(jī)械傳動裝置

投放口鏈接通道會很長以便準(zhǔn)確地檢驗垃圾種類。此部分將利用原動機(jī)供給的能量、ECU 的指令來控制桶蓋的閉合與垃圾的傳送，最后根據(jù)垃圾的種類、壓縮機(jī)構(gòu)的特點等，將存儲在內(nèi)部的垃圾進(jìn)行機(jī)械式壓縮。其邏輯圖為圖2 所示。

圖2 機(jī)械傳動裝置邏輯圖

考慮到垃圾桶蓋衛(wèi)生問題，設(shè)計了自動開關(guān)桶蓋，利用紅外測距傳感器，當(dāng)檢測到有物體靠近時，自動打開桶蓋，10 秒后自動蓋上。這樣在人們投擲垃圾的時候，手不會被弄臟，功能實用且人性化。

2.3 能源設(shè)計

在垃圾桶的頂部安裝太陽能板，并為其設(shè)計了一種提高太陽能光電轉(zhuǎn)化效率的控制裝置，基于用戶移動設(shè)備定位的太陽能自動追光裝置及追光方法，通過分析太陽的角度來轉(zhuǎn)動太陽能板，使太陽能板更多地吸收太陽光。圖3 為此裝置控制流程。當(dāng)用戶投放垃圾時，定位模塊開始工作，數(shù)據(jù)分析出結(jié)果以后控制模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)來調(diào)整自動追光裝置，太陽能轉(zhuǎn)化后的電能一部分供給垃圾桶運(yùn)轉(zhuǎn)工作，另一部分反向給電池充電或自身存儲，保持在某些特定條件下繼續(xù)為垃圾桶持續(xù)供電[7]。

圖3 太陽能控制流程圖

3 垃圾桶軟件設(shè)計

3.1 垃圾分類功能

垃圾桶上安有攝像頭，通道四周安裝視覺傳感器，當(dāng)垃圾掉入垃圾桶上層隔板時，攝像頭將捕捉的垃圾外形及特點傳給ECU，ECU 將其與數(shù)據(jù)庫中信息進(jìn)行比對，確定垃圾種類。ECU控制容器門開關(guān)并將判斷結(jié)果輸入到控制端，機(jī)械控制端分揀，傳送與儲存垃圾，完成垃圾分類。通過監(jiān)測垃圾儲量，主機(jī)命令壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮垃圾體積以擴(kuò)大垃圾桶內(nèi)部容積。垃圾桶主要通過不同的垃圾材質(zhì)識別五類垃圾：（1）材料垃圾（包括玻璃、廢紙、橡膠、塑料等）；（2）無機(jī)垃圾組（爐灰渣、磚瓦、陶瓷等）；（3）有毒有害垃圾（殺蟲劑容器、過期藥物、醫(yī)療廢物以及廢舊電器的電子垃圾等）；（4）有機(jī)垃圾（廚房垃圾、生物垃圾等）；（5）其余垃圾（其余無法檢驗出來的垃圾）。

3.2 與人交互功能

迎合智能化手段，此戶外智能垃圾桶增設(shè)標(biāo)語宣傳和音頻宣傳功能。LED 屏幕不間斷地顯示宣傳標(biāo)語“保護(hù)環(huán)境 垃圾分類”等。在垃圾桶外加設(shè)語音播放裝置和傳感器，當(dāng)人群靠近垃圾桶時播放宣傳音頻，提醒人們對垃圾分類投擲。為了體驗科技時代便捷性，開發(fā)出一款“智能型分類垃圾桶”的APP，并建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫作為后臺技術(shù)支撐和雙重保障。圖4 為APP 設(shè)計界面。本產(chǎn)品用于圖形界面內(nèi)容,通過掃描智能垃圾桶的二維碼實現(xiàn)用戶與垃圾桶的互動,并具有搜索垃圾知識、積分兌換、垃圾桶定位、管理員等功能[8]。

圖4 垃圾小助手APP 設(shè)計界面

3.3 垃圾儲量控制

考慮到現(xiàn)實生活中垃圾滿溢現(xiàn)象影響環(huán)境衛(wèi)生，也給扔垃圾的行人造成不便。因此本設(shè)計在垃圾桶內(nèi)安裝藍(lán)牙，以便實時監(jiān)測垃圾容量，當(dāng)壓縮操作進(jìn)行后監(jiān)測到垃圾儲量達(dá)到桶容積的80%，則將通過電機(jī)控制垃圾蓋不可打開。通過GPS 模塊，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送垃圾桶的實時位置，提醒相關(guān)人員及時清理垃圾。

3.4 自動跟隨功能

傳統(tǒng)式垃圾桶有固定型和移動型兩種，并不能滿足現(xiàn)代人群的節(jié)奏。當(dāng)時間緊迫或事物繁忙之時，人們往往無法投擲或準(zhǔn)確投擲手中垃圾，為此設(shè)計了垃圾桶自動跟隨功能。當(dāng)人向其前進(jìn)至距離垃圾桶0.5 米之時，垃圾桶將根據(jù)ECU 指令向目標(biāo)人物行進(jìn)，并自動跟隨0.5 米，使垃圾得到準(zhǔn)確投擲，并在此動作之后，垃圾桶將智能返回原位。

4 垃圾桶附加功能設(shè)計

垃圾桶外形結(jié)合地域特色進(jìn)行設(shè)計，以內(nèi)蒙古為例，加入蒙古族元素，如常見單獨(dú)紋樣元素：哈木爾、犄紋、卍紋、哈敦綏格、渦紋、盤腸、汗寶古等，弘揚(yáng)和傳播具有地方特色的蒙古族文化，讓各地的人知道和了解內(nèi)蒙古的文化和文明。

市場現(xiàn)行垃圾桶大多采用木材，塑料或金屬等材料制成，不能完全滿足夜間使用需求，例如在光線較暗的地方放置垃圾桶，不熟悉周圍環(huán)境的投放垃圾者或視力較低的人群將難以快速找到垃圾桶。基于此種情況，這款垃圾桶外表一層覆蓋反光材料，些許光線照射到垃圾桶時，反光材料將顯示出垃圾桶的位置，便于人們快速準(zhǔn)確地找到垃圾桶。

且戶外環(huán)境中垃圾桶常常會存在垃圾氣味，并隨著垃圾容量的增多和氣溫的升高而逐漸明顯。此問題在設(shè)計中由噴鳴系統(tǒng)來完成，可以確保垃圾桶不會發(fā)出惡臭的味道，以達(dá)到垃圾除臭消毒的目的。

5 結(jié)論

本設(shè)計響應(yīng)十九大報告中提出的堅持新發(fā)展理念，堅持人與自然和諧共生，加快生態(tài)文明體制，改革建設(shè)美麗中國的思想而萌芽。其結(jié)合控制器和大量的傳感器設(shè)計了節(jié)能交互型智能垃圾桶，其功能完善、使用方便，更適應(yīng)現(xiàn)代化生活。該垃圾桶不僅實現(xiàn)垃圾的智能分類、還附帶有節(jié)約能源、與人交互、垃圾儲量控制、自動跟隨等功能，較好地滿足了用戶的需求，為用戶使用帶來便利。其既與垃圾收集工作人員建立了高效合作關(guān)系，又與用戶建立了良好的互動和情感關(guān)聯(lián)，在很大程度上滿足了目標(biāo)市場的需求。