智能分類垃圾處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

叢 笑,曾慶祎,韋 穎

(安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引言

當(dāng)今社會,環(huán)境問題的嚴(yán)重性日益加重,通過調(diào)查,發(fā)現(xiàn)所謂垃圾其實(shí)都是資源,當(dāng)被人們放錯了位置時它才是垃圾。 通過垃圾分類,這些物質(zhì)可以集中到專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行無害化處理,可以減少環(huán)境污染,甚至有些有毒有害垃圾經(jīng)過處理后還可以變廢為寶。 而我國城市垃圾中生活垃圾的來源很廣,但卻很分散。 只要是有人在的地方,就會產(chǎn)生垃圾。 人們面對日益增長的垃圾產(chǎn)量和環(huán)境狀況惡化的局面,可通過有效的垃圾分類管理,最大限度地減少垃圾處置量。

1 智能分類垃圾桶的設(shè)計(jì)

為了徹底解決傳統(tǒng)垃圾桶存在的衛(wèi)生感染隱患,有效杜絕各種傳染性疾病通過垃圾進(jìn)行傳播,目前,政府已經(jīng)投入使用的集中垃圾投放點(diǎn),將生活垃圾分為4類:可回收垃圾、廚余垃圾、其他垃圾、有害垃圾,通過人工分類的方法,將垃圾分類進(jìn)行投遞,并且規(guī)定了投遞的兩個時間段,一般中等規(guī)模的小區(qū)設(shè)置2～4 個類似的生活垃圾分類投放點(diǎn),目前投入使用的集中垃圾投放點(diǎn)配有操作間、紫外消毒燈[1]。

但是,垃圾投放給投放者造成諸多疑惑與不便。本項(xiàng)目致力于設(shè)計(jì)出一種檢測并自動打開垃圾桶蓋的智能系統(tǒng)。 當(dāng)人的手或物體接近投物口(應(yīng)感窗)約0.5～1m 時,對應(yīng)垃圾的垃圾桶會旋轉(zhuǎn)到投物口,垃圾桶蓋會自動開啟,待垃圾投入完畢,在設(shè)定時間內(nèi)垃圾桶又會自動關(guān)閉,人、物不需要接觸垃圾桶。 在長時間不使用的情況下,垃圾桶會自動進(jìn)入休眠模式以便節(jié)能(見圖1)。 這種衛(wèi)生、自動、耗能低、有趣的新型智能垃圾桶進(jìn)入小康社會將取代傳統(tǒng)垃圾桶[2]。

圖1 智能垃圾桶結(jié)構(gòu)

2 智能分類垃圾桶的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過本團(tuán)隊(duì)的不斷探索,這款具有語音識別功能的智能分類垃圾系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,主要是針對家用、景區(qū)等地。 這款智能垃圾系統(tǒng)只有一個垃圾投放口,里面裝有可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾4 個類型小桶,通過攝像頭識別垃圾類型,并控制底盤的旋轉(zhuǎn),將對應(yīng)垃圾的垃圾桶旋轉(zhuǎn)到投放口。 且本垃圾桶設(shè)有報警系統(tǒng),當(dāng)垃圾儲蓄至快滿時,會自動通知人員,及時更換垃圾袋。 與此同時,該款智能垃圾系統(tǒng)還加入了紅外線探測功能,當(dāng)人走到熱釋紅外傳感器的探測范圍內(nèi),垃圾桶會自動打開桶蓋,人們只要說一下垃圾的名字,智能垃圾桶就能自動識別垃圾,并轉(zhuǎn)動小桶,讓垃圾落入對應(yīng)的小桶[3]。 此外智能垃圾桶可以識別60 多種垃圾,比如易拉罐、塑料瓶、廢紙團(tuán)等。 戶外環(huán)境若不是太嘈雜,識別率可以達(dá)到90%以上。

2.1 語音識別

這款垃圾桶的語音識別方法主要是模式匹配法,即利用連續(xù)語音中的關(guān)鍵詞檢測來實(shí)現(xiàn)。 連續(xù)語音流中的關(guān)鍵詞檢測針對的是連續(xù)語音,但它并不識別全部文字,而只是檢測已知的若干關(guān)鍵詞在何處出現(xiàn)。這款垃圾桶也可以根據(jù)發(fā)音人,把語音識別技術(shù)分為特定人語音識別和非特定人語音識別,前者只能識別一個或幾個人的語音,而后者則可以被任何人使用。顯然,非特定人語音識別系統(tǒng)更符合實(shí)際需要,但它要比針對特定人的識別困難得多。

在測試階段,將詞匯表中的每一詞依次說一遍,并將其特征矢量作為模板存入模板庫,以提高用戶使用成功的概率[4]。 在識別階段,將輸入語音的特征矢量依次與模板庫中的每個模板進(jìn)行相似度比較,將相似度最高者作為識別結(jié)果輸出,利用同軸位置感應(yīng)器,實(shí)現(xiàn)測距和感應(yīng)旋轉(zhuǎn)指令。

2.2 紅外感應(yīng)的實(shí)現(xiàn)

人走到熱釋紅外傳感器的探測范圍內(nèi),傳感器熱釋電元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡,向單片機(jī)提供了一個低電平,將此信號作為一個外部中斷信號,單片機(jī)在進(jìn)行初始化與設(shè)定定時時間后,就等待中斷信號。 當(dāng)外部有中斷信號傳入時,單片機(jī)進(jìn)入處理中斷,認(rèn)為此時有人來,通過查詢I/O 信號,判斷是否打開垃圾桶蓋[5]。

基于以上電機(jī)的轉(zhuǎn)動需要直流電,設(shè)計(jì)的該垃圾桶需要插電,通過交流電維持垃圾桶電機(jī)的轉(zhuǎn)動,從而使人們在扔垃圾的時候打開對應(yīng)的垃圾桶(見圖2)。前期的推廣是給家庭、商場之類的地方,在這些地方既可以給它持續(xù)供電,又可以提高人們的垃圾分類意識,潛移默化地讓垃圾分類走入人們的生活。

圖2 系統(tǒng)功能

2.3 直流齒輪減速電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流減速電機(jī)在機(jī)電行業(yè)是比較常見的微型減速電機(jī),主要從磁場性質(zhì)、各種齒輪減速電機(jī)對沖片鐵心磁導(dǎo)率的方向性和均勻性冷軋、減速電機(jī)鐵心工作磁密度高低等幾個方面入手。 (1)減速電機(jī)結(jié)合國際技術(shù)要求制造,具有很高的科技含量。 (2)節(jié)省空間,可靠耐用,承受過載能力高。 (3)能耗低,性能優(yōu)越,減速機(jī)效率高達(dá)95%以上。 (4)振動小,噪聲低,節(jié)能高,選用優(yōu)質(zhì)段鋼材料,鋼性鑄鐵箱體,齒輪表面經(jīng)過高頻熱處理。 (5)經(jīng)過精密加工,確保定位精度,這一切構(gòu)成了齒輪傳動總成的齒輪減速電機(jī),形成了機(jī)電一體化,完全保證了產(chǎn)品質(zhì)量。 (6)產(chǎn)品采用了系列化、模塊化的設(shè)計(jì)思想,有廣泛的適應(yīng)性,本系列產(chǎn)品有極多的電機(jī)組合、安裝位置和結(jié)構(gòu)方案,可按實(shí)際需要選擇任意轉(zhuǎn)速和各種結(jié)構(gòu)形式。

2.4 AI 語音通話系統(tǒng)

AI 語音通話功能是機(jī)器自動將人的語音轉(zhuǎn)成文字的技術(shù)。 AI 語音利用語音識別、語音合成、語義理解等人工智能技術(shù),通過擬人化的語音、文字等方式與客戶進(jìn)行自然流暢的交互,從而提供自主在線問答、咨詢、業(yè)務(wù)辦理等服務(wù)。

隨著時代的發(fā)展,AI 語音系統(tǒng)日益完善。 此款垃圾桶本不必加入該功能,考慮到當(dāng)垃圾桶裝滿垃圾后,人從外觀是無法辨別的,因此加入該功能以提示人們及時更換。 另外,該功能還能提醒管理員在垃圾桶發(fā)生故障的時候及時維護(hù)。

3 智能分類垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件裝置

垃圾桶硬件裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)對行人投入垃圾的4 分類投放(可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾)。垃圾桶硬件裝置主要包含以下幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1.1 4 分類垃圾回收桶箱

為實(shí)現(xiàn)對垃圾的4 分類投放,垃圾回收桶箱分別對應(yīng)“可回收垃圾”“有害垃圾”“廚余垃圾”“其他垃圾”4 個垃圾大類。

3.1.2 超聲波

為保證系統(tǒng)對垃圾投入有較快的響應(yīng)速度要求,該系統(tǒng)設(shè)置超聲波傳感器。 該傳感器可檢測托盤上是否有垃圾放置。 若檢測到垃圾,則啟動分類程序,對待投放垃圾進(jìn)行識別投放。

3.1.3 攝像頭

攝像頭是系統(tǒng)中的垃圾圖像采集裝置。 使用攝像頭拍攝托盤上的垃圾圖像,系統(tǒng)根據(jù)拍攝圖像對垃圾進(jìn)行分類識別。

3.1.4 舵機(jī)

舵機(jī)為垃圾桶的投放驅(qū)動模塊,該模塊共有兩個舵機(jī)。 當(dāng)?shù)玫酱斗爬乃鶎俅箢愵悇e后,兩個舵機(jī)帶動托盤旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對垃圾識別后的投放步驟。

3.2 系統(tǒng)原理

(1)該智能分類垃圾桶主要實(shí)現(xiàn)的功能是對一般垃圾(干垃圾、濕垃圾、有害垃圾、廚余垃圾)進(jìn)行準(zhǔn)確分類。

(2)當(dāng)待分類垃圾放于置物板上時,攝像頭檢測到有垃圾,智能分類垃圾桶進(jìn)入工作狀態(tài)。 垃圾桶開始轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動角度由檢測到的垃圾類型確定,可以旋轉(zhuǎn)0°,90°,180°,270°。

(3)待對應(yīng)垃圾桶轉(zhuǎn)動到平臺位置下方,置物板開始轉(zhuǎn)動,垃圾被周圍擋板阻攔,無法移動,只能掉入下方垃圾儲存區(qū)域。

(4)置物板逆方向轉(zhuǎn)動,回到檢測平臺的位置。

(5)垃圾桶逆方向轉(zhuǎn)動,回到原始位置,垃圾桶完成一次工作,等待下一次工作周期的到來。

3.3 垃圾桶滿溢監(jiān)測報警處理系統(tǒng)原理

無線數(shù)傳終端連接傳感器等儀表設(shè)備實(shí)時對垃圾箱的容量、垃圾箱內(nèi)溫度進(jìn)行采集,將垃圾空間占用狀態(tài)、傾倒?fàn)顩r、箱內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳管理平臺、移動App 等。

(1)感知層:由垃圾桶傳感器、攝像頭等對目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

(2)傳輸層:計(jì)訊物聯(lián)數(shù)據(jù)采集傳輸終端,前端感知層數(shù)據(jù)采集并上報服務(wù)器。

(3)監(jiān)控中心:監(jiān)控中心接收、分析、處理可視化數(shù)據(jù)圖表,實(shí)現(xiàn)對垃圾桶現(xiàn)場環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理,為環(huán)衛(wèi)工人提供最優(yōu)工作路線[6-7]。

3.4 數(shù)據(jù)采集傳輸終端下垃圾桶滿溢監(jiān)測系統(tǒng)功能

(1)對垃圾桶狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測,遠(yuǎn)程調(diào)度控制,保證垃圾處理及時,改善環(huán)境衛(wèi)生問題。

(2)位置識別標(biāo)記,對分散地點(diǎn)的終端設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一遠(yuǎn)程運(yùn)行監(jiān)管,包括在線狀態(tài)、設(shè)備故障、使用情況等,降低運(yùn)營成本。

(3)垃圾桶溫度采集遠(yuǎn)程監(jiān)測,溫度超過閾值動監(jiān)測上報,異常告警,工作人員可根據(jù)編號進(jìn)行識別并立即處理,提高工作效率,避免安全事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

垃圾桶雖然市面上很常見且各式各樣,但是大多數(shù)不是智能化的。 人們面對日益增長的垃圾產(chǎn)量和環(huán)境狀況惡化的局面,通過垃圾分類管理,可以最大限度地減少垃圾處置量。 本文對智能分類垃圾桶做了細(xì)致全面的分析和介紹,希望能夠幫助人們更好地了解智能分類垃圾桶的功能。