基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧垃圾桶系統(tǒng)設(shè)計

屈巍 徐志毅 王莉 夏萱 魏雪

（沈陽師范大學(xué)，遼寧 沈陽 110034）

目前我國經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展的階段，人民的物質(zhì)生活水平也有了顯著的提高。然而在這經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們制造垃圾的速度也在空前發(fā)展。我國平均每年產(chǎn)生固體廢物50 億噸，其中危險廢物高達(dá)4000 萬噸，但70%的城市都選擇了填埋，城市早已不堪重負(fù)，土地、水資源的污染情況更是觸目驚心。垃圾分類是對垃圾收集處理傳統(tǒng)方式的惡改革，是對垃圾進(jìn)行有效處置的一種科學(xué)管理方法，它不僅有利于提升全社會的文明程度，還可以減少不同垃圾的相互污染，有利于廢舊物質(zhì)的回收利用[1-2]。針對垃圾合理分類問題，以“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)+垃圾分類”理念為指導(dǎo)提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧垃圾桶設(shè)計，分別從垃圾自動分類、廢品回收返利、照明喚醒、語音詢問助手、LED屏交互等方面進(jìn)行設(shè)計。智慧垃圾桶功能豐富、性能穩(wěn)定、安全性高，確切滿足當(dāng)代社會對垃圾分類再利用的迫切需求，有效提高了資源的再生產(chǎn)工作。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧垃圾桶的設(shè)計

基于對市面已經(jīng)存在的功能以及社會需求的分析[3-4]，我們將智慧垃圾桶的設(shè)計分為五大板塊，垃圾自動分類技術(shù)、廢品回收返利功能、交互功能、用戶便利方案、監(jiān)測與防護(hù)。其中，交互功能包括LED 屏交互、“垃圾很OK”APP 交互以及用戶的認(rèn)證技術(shù)；用戶便利方案包括語音助手小LA 以及照明喚醒服務(wù)；檢測與防護(hù)包括系統(tǒng)故障自檢以及設(shè)備安全防護(hù)，見圖1。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧垃圾桶的設(shè)計框圖

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧垃圾桶的設(shè)計實現(xiàn)

2.1 垃圾自動分類技術(shù)

該技術(shù)主要利用垃圾信息采集裝置和主控制系統(tǒng)，對于用戶投入的垃圾進(jìn)行檢測，通過ResNet 圖像分析技術(shù)進(jìn)行圖像分析，檢測用戶所投擲垃圾的投遞情況。投遞時，垃圾桶會自動通過自身的信息采集裝置，將收集到的信息，通過感知層利用水平翻轉(zhuǎn)、隨機(jī)裁剪和色彩抖動等方式對于垃圾圖像進(jìn)行處理，再將識別分裂的結(jié)果轉(zhuǎn)遞給應(yīng)用層的主控CPU，利用以R-CNN、Fast R-CNN、Faster R-CNN 為代表的兩階段算法生成一系列待檢測目標(biāo)的候選框，再通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行候選框的分類，用來對垃圾進(jìn)行分類。

如流程圖圖2 所示，當(dāng)用戶投遞正確時，則完成投遞，能夠獲得積分獎勵；當(dāng)用戶投遞錯誤時，本設(shè)備會進(jìn)行正確的投遞，并且在APP 及LED 屏上實時反饋錯誤信息，扣除用戶相應(yīng)的積分，如圖3 所示。通過在不同的客戶端上反饋，可以實現(xiàn)更多的便利。

圖2 垃圾分類技術(shù)流程圖

圖3 LED 屏錯誤反饋實現(xiàn)圖

2.2 廢品回收返利功能

該技術(shù)主要利用一系列傳感器以及計數(shù)器實現(xiàn)返利功能，使用戶在投遞垃圾的同處理可回收廢品，通過此舉激勵用戶，提高用戶的廢品回收意識，其流程圖如圖4 所示。通過紅外測距傳感器監(jiān)控桶內(nèi)的存儲情況，當(dāng)存儲量超過85%時，會有滿載預(yù)警通知；當(dāng)達(dá)到95%時關(guān)閉垃圾桶入口，將無法回收，再等待環(huán)衛(wèi)部門清理完畢后能重新使用回收功能。重量傳感器的功能是檢測廢紙的重量，計數(shù)器的功能是計算空瓶數(shù)量，方便計算返利金額，如圖5 所示。整個過程中，智慧垃圾桶自帶的LED 屏相關(guān)的交互顯示，實時更新相關(guān)數(shù)據(jù)，用戶也可于APP中查看。

圖4 廢品回收返利流程圖

圖5 LED 屏回收實現(xiàn)圖

2.3 交互功能設(shè)計

2.3.1“垃圾很OK”APP 設(shè)計

為了提高用戶的使用體驗以及我們產(chǎn)品自身的服務(wù)質(zhì)量，我們設(shè)計推出了與智慧垃圾桶相輔相成的“垃圾很OK”APP。

“垃圾很OK”APP 首頁設(shè)計圖如圖6 所示。用戶可以在首頁了解到產(chǎn)品最新的活動資訊，以及為用戶提供了四個常用的服務(wù)項目點擊模塊，包括“GPS 定位”、“一鍵照明”、“積分兌換”以及“分類查詢”。

圖6 APP 首頁實現(xiàn)圖

GPS 定位：每個垃圾桶內(nèi)都具備了GPS 裝置，當(dāng)用戶想投擲垃圾時，可以根據(jù)用戶手機(jī)內(nèi)的GPS 定位以及垃圾桶的GPS定位系統(tǒng)利用最短距離算法計算出距離用戶最近的垃圾桶的位置，在APP 內(nèi)可以反饋給用戶垃圾桶的位置信息。用戶可以通過該功能得知離自己最近的垃圾箱的位置，完成后續(xù)垃圾投遞的工作。GPS 界面設(shè)計圖如圖7 所示。

圖7 GPS 界面實現(xiàn)圖

積分兌換：用戶可以根據(jù)自己的積分?jǐn)?shù)量選擇可兌換范圍內(nèi)的商品，在完成地址選擇以及信息確認(rèn)以后即可完成兌換。其中，積分的獲取來自于用戶平時對于APP 使用的積累。積分兌換界面如圖8 所示。

圖8 積分兌換界面

如圖6 所示，我們發(fā)現(xiàn)在頁面的下方還具有一個功能板塊，即為“錯誤反饋記錄”。該板塊的設(shè)計是為了當(dāng)垃圾箱內(nèi)的垃圾自動分類板塊完成算法計算，得到投擲錯誤的信息時，在LED屏給予反饋的同時，云端數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)紸PP 的后臺數(shù)據(jù)庫中。即當(dāng)用戶在進(jìn)行扔垃圾時，如若在垃圾分類時扔錯，則會進(jìn)行垃圾分類的正確信息反饋，通過APP 進(jìn)行查看。

另外地，還設(shè)計了“隨堂測試”功能板塊，用戶可以通過APP的測試模塊，不斷的檢測自己對垃圾分類的了解，鞏固自己對垃圾分類知識的認(rèn)識。同時，也會根據(jù)用戶的成績，給予相應(yīng)的積分。并且，用戶每次進(jìn)行測試的題目由數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)自動生成。隨堂測試界面如圖9 所示。

圖9 分類知識提升

2.3.2 LED 屏交互界面設(shè)計

為提高用戶在使用智慧垃圾桶時的用戶體驗，我們?yōu)橹腔劾按钶d一塊觸摸式電容屏。LED 屏交互設(shè)計框圖如圖10所示。

圖10 LED 屏交互設(shè)計框圖

用戶可以在“主界面”獲取包括時間、天氣預(yù)報以及每日新聞的公共信息，也可以選擇“人臉識別”以及“IC 卡驗證”的兩種身份認(rèn)證方式進(jìn)入自己的用戶界面。LED 屏首頁設(shè)計圖如圖11所示。

圖11 LED 屏首頁實現(xiàn)圖

在“用戶界面”，用戶可以查看自己的個人信息；通過“語言助手”喚醒助手小LA；通過“積分兌換”用自己的現(xiàn)有積分兌換物品；通過“回收助手”完成廢品回收返利功能的操作；通過“照明服務(wù)”打開照明喚醒。LED 屏用戶界面設(shè)計圖如圖12 所示。

圖12 LED 屏用戶界面實現(xiàn)圖

此外，只要是有垃圾投遞，無論是否是我們的注冊用戶，LED 屏都會對錯誤的垃圾投遞進(jìn)行錯誤提示以及糾正，例如當(dāng)用戶將牛奶盒投入廚余垃圾中時，錯誤提示會顯示“您所投入廚余垃圾中的牛奶盒為可回收垃圾”。

3 結(jié)論

目前我國經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展的階段，人民的物質(zhì)生活水平也有了顯著的提高。垃圾的大量制造不僅加劇了土地資源的利用，而且加重了大氣的污染，甚至人們賴以生存的環(huán)境也會受到威脅[5]。本文以“物聯(lián)網(wǎng)+垃圾分類”理念為指導(dǎo)設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧垃圾桶，所設(shè)計的智慧垃圾桶功能更智慧、性能更穩(wěn)定、安全性高，確切滿足了當(dāng)代社會對垃圾分類再利用的迫切需求，有效提高了資源再生產(chǎn)工作效率。