智能殺菌分類垃圾桶的設計與實現

馮壽崗，劉婭楠，李圣君

（曲阜師范大學計算機學院，山東日照，276826）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，垃圾處理已成為全球性的問題。當前城市垃圾桶周圍經常出現垃圾溢出的現象，環境中的病毒有充分的時間和條件通過垃圾進行傳播，給病毒的傳播留下了隱患。特別是近年來新型冠狀病毒的出現，給人們的生活帶來了嚴峻的挑戰。當前對垃圾桶主要進行人工消毒，只是對垃圾本身進行處理，并沒有實質性的切斷傳播路徑，而且人工消毒工作消耗巨大的人力物力。另外，人們普遍缺乏垃圾分類的意識和常識，無法將各類垃圾獨立分類，這給病毒的滋生與傳播也創造了有利條件[1]。

基于目前現狀及需求，設計出一款具有殺菌消毒功能的語音分類垃圾桶[2]。該設計基于智能化紅外感應裝置、超聲波控制系統以及無線通信系統，在實現系統自動開關蓋、垃圾數量檢測、語音垃圾分類和人臉識別上報管理等功能基礎上，垃圾桶裝有消毒噴霧裝置和紫外線殺菌燈，桶內可通過紫外線對垃圾進行殺菌消毒，桶外可通過噴霧對投放者手部進行殺菌消毒，有效防止了病毒通過垃圾進行傳播，有利于營造出良好的生活環境。

1 產品功能與原理

此設計利用特殊箱體結構并組合多種模塊使垃圾桶變得更加智能化，控制模塊采用STM32主板作為系統的核心板，通信模塊采用ESP8266模塊用于系統的信息上報，如圖1所示。本系統要實現的功能包括：手部殺菌消毒、桶內凈化除味、垃圾數量檢測、人臉識別數據統計、語音識別垃圾分類[3]等。

圖1 功能實現

當感應裝置檢測到用戶靠近垃圾桶時，將向單片機發送信號，驅動電機完成開蓋動作，同時人臉識別模塊將進行識別并上報數據。當垃圾桶蓋開啟時，啟動語音識別模塊，用戶根據提示說出語音。語音模塊將進行信息匹配，根據匹配結果，垃圾桶將旋轉相應隔板完成垃圾分類。當用戶將垃圾投入桶內后，垃圾桶蓋上的噴霧頭將向投擲垃圾區域處噴灑消毒液，對用戶手部進行殺菌消毒，桶內紫外線殺菌裝置將定時對垃圾殺菌，從而有效地減少了病毒通過垃圾進行傳播。

1.1 自動開蓋與垃圾分類動力模塊

垃圾桶自動開蓋功能將采用光電感應模塊進行檢測，光電傳感器在有效范圍內檢測有無物體，然后將信息傳給單片機并向舵機發出電信號。垃圾分類則通過語音模塊識別語音，然后驅動相應隔板的舵機完成分類功能。

光電傳感器是發射與接收集一體化的傳感器，工作原理是由發射光通過調制后發出，然后接收頭對反射光進行解調輸出，最后決定桶蓋是否打開[4]。舵機為開蓋和垃圾分類提供動力，并由可以改變寬度的脈沖控制舵機旋轉角度，經過不斷調試，調試出合適的開蓋角度以及分類隔板旋轉角度。

1.2 垃圾數量檢測模塊

垃圾數量檢測利用超聲波傳感器和壓力傳感器結合進行檢測。

超聲波傳感器由發射頭和接收頭組成，根據聲波接收與發射的時間差進行距離計算，從而得到垃圾高度。壓力傳感器采用電阻應變片式稱重傳感器，將傳感器安裝于垃圾桶底部。當垃圾受重力使傳感器發生形變時，傳感器將產生電信號，電信號經過放大轉化變為數字信號。將垃圾高度與重量結合分析，有效避免了垃圾過輕或過重導致檢測不準確的情況出現。

1.3 消毒除味模塊

垃圾桶內部安裝氣敏傳感器和紫外線殺菌燈，分別用于對桶內異味的檢測和對桶內垃圾的殺菌消毒。氣敏傳感器的原理為，傳感器中的半導體可吸收空氣中的氧氣，從而使半導體電阻增大；當空氣中的氨氣和其他氣體含量升高時，將分解半導體中吸附的氧氣，從而使電阻減小。根據電阻的變化向主板發送信號，達到對垃圾桶內部氣味的檢測。

垃圾桶采用水泵將消毒液運輸至噴頭，噴頭對投放者手部進行消毒，并對桶內進行除味。消毒噴灑水泵將采用微型隔膜泵，該水泵體積小，便于放置，節約空間，噪音較小，可以帶來良好的使用體驗。

1.4 語音識別分類模塊

語音識別垃圾分類采用基于ASR技術的語音控制芯片LD3320進行語音識別，將該芯片接口與STM32單片機相連，并將單片機與L298N模塊連接用于驅動舵機完成分類功能，如圖2所示。將設定好的關鍵詞傳送到語音模塊中，無需在單片機中調用語音包，大大降低了單片機的負擔?；贚D3320不需要外接輔助的RAM、Flash和AD，可以獨立完成語音識別。

圖2 語音模塊工作系統圖

2 功能實現

2.1 垃圾數量檢測與自動感應開蓋

垃圾數量檢測功能：當垃圾數量達到壓力傳感上報限度時，開啟垃圾桶上方的超聲波模塊檢測，若同時達到兩個模塊的限度才能進行上報，解決了垃圾過重或過輕導致錯誤上報的問題。通過模塊間相互配合上報，解決了社會上垃圾堆滿垃圾桶，甚至溢出到垃圾桶外的現象，如圖3所示。

圖3

自動開蓋功能：當光電傳感器檢測到有人靠近并小于設定距離時，將驅動舵機旋轉進行開蓋。此過程中光電傳感器持續檢測，當檢測到有人離開并大于設置距離時，則將驅動舵機旋轉進行桶蓋關閉，若持續小于設置距離則垃圾桶保持開蓋狀態，如圖4所示。

圖4

2.2 殺菌除味功能

垃圾桶內使用紫外線殺菌燈進行桶內殺菌，將紫外線殺菌燈安裝在垃圾桶內分區上方。殺菌燈連續照射20分鐘左右即可達到良好的殺菌效果。殺菌燈根據投放數據統計采用定時開關，若在垃圾投放高峰期將縮短照射的時間間隔，若在垃圾投放數量較少的時間段將增大照射的時間間隔，有效減少了電量的消耗。通過紫外線照射微生物，它們細胞的一些DNA和RNA吸收紫外線并產生光化學效果，導致細胞內部件，尤其是核酸原生質蛋白和酯產生化學變化，以使細胞質變性。

垃圾桶外使用消毒噴霧對投放者手部進行消毒，將消毒噴頭安裝在垃圾桶蓋內側，如圖5所示。在開蓋時用于對手部的殺菌，結合開蓋角度與噴灑角度設計出合適噴灑范圍。首先垃圾桶蓋打開，人們將垃圾放入垃圾桶，此時噴霧將對手部進行殺菌消毒，良好地隔絕了垃圾與手部的病毒傳播。

圖5

垃圾桶內使用氣敏傳感器進行空氣檢測，經過不斷地測試找出合適數值，如圖6所示。當檢測數值超過一定數值時，氣味傳感器將向單片機發送信號，驅動水泵向桶內釋放除臭劑。此時垃圾桶蓋恰好成閉合狀態，噴霧頭朝向桶內，與消毒噴霧使用同一個噴霧頭提高了器件利用率，徹底地解決了垃圾桶附近的異味問題。

圖6

2.3 語音識別垃圾分類功能

垃圾分類功能基于語音識別進行實現，將LD3320模塊設置為觸發識別模式。當光電傳感器檢測到人靠近開啟垃圾桶蓋時，開始啟動語音識別模塊，有效地降低了能耗。投放垃圾時，系統將播放宣傳保護環境的信息，對垃圾分類和環境保護進行科普介紹，并且提示使用者根據垃圾情況向垃圾桶說出“可回收垃圾”、“有害垃圾”、“廚余垃圾”和“其他垃圾”等。語音識別模塊將識別出使用者說出的關鍵詞，進行下一步的分析并進行匹配。根據匹配結果，驅動相關隔板舵機旋轉完成分類操作，垃圾桶將該垃圾投放至所屬垃圾桶內[5]。識別流程如圖7所示。

圖7

垃圾桶采用一桶四區的設計，將一個箱體分成四個區域，分別為可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾，垃圾桶內部運用巧妙的物理結構進行垃圾分類，如圖8所示。垃圾桶上方采用V字形擋板，使用舵機為動力進行旋轉，按照垃圾所屬種類使垃圾落入第二層垃圾分類擋板，最終第二層垃圾分類板旋轉將垃圾正確入桶。

圖8

當垃圾為“可回收垃圾”時，V字形擋板左側向下旋轉90°并停留兩秒后旋轉回到初始位置，第二層分類擋板在V字形擋板旋轉回到初始位置時逆時針旋轉90°，兩秒后恢復初始位置；

當垃圾為“有害垃圾”時，V字形擋板左側向下旋轉90°并停留兩秒后旋轉回到初始位置，第二層分類擋板在V字形擋板旋轉回到初始位置時順時針旋轉90°，兩秒后恢復初始位置；

當垃圾為“廚余垃圾”時，V字形擋板右側向下旋轉90°并停留兩秒后旋轉回到初始位置，第二層分類擋板在V字形擋板旋轉回到初始位置時逆時針旋轉90°，兩秒后恢復初始位置；

當垃圾為“其他垃圾”時，V字形擋板右側向下旋轉90°并停留兩秒后旋轉回到初始位置，第二層分類擋板在V字形擋板旋轉回到初始位置時順時針旋轉90°，兩秒后恢復初始位置。垃圾分類如圖9所示。

圖9

2.4 人臉識別功能

人臉識別功能首先需要在該使用社區收集一個小型數據庫。用戶可以在首次使用時通過系統的攝像頭采集自己的人臉特征數據。攝像頭捕捉用戶面部的多個特征，并將其存儲在人臉識別數據庫中。人臉特征數據采集完成后，通過調用百度人臉識別API，利用FaceDataset提供的人臉識別庫，結合OpenCV開源計算機視覺庫，對系統的人臉識別數據庫進行識別[6]。工作流程如圖10所示。

圖10

2.5 網上服務功能

服務網頁設計以綠色為主色，如圖11所示，符合綠色生態和環保[7]。

圖11

利用表單將用戶數據從瀏覽器傳遞到Web服務器，并建立登錄界面，用于對數據庫進行查詢。ASP程序在服務器端工作，通過服務器端編譯動態發送HTML文件，與服務器上的運行程序之間進行數據交換[8]。

通過每次居民投擲垃圾后的后臺數據庫記錄，監督居民的垃圾分類情況，并每月生成垃圾分類報告。管理員通過報告實施獎懲制度，大大提高了垃圾分類效率，也培養了人們的垃圾分類好習慣。

3 結論

本設計通過將各種傳感器應用在垃圾桶上實現殺菌消毒、語音分類等功能，可以通過傳感器反饋數據及時對桶內進行殺菌除味，在用戶投放垃圾后可對用戶手部噴灑消毒液，從而有效切斷病毒的傳播途徑。結合垃圾桶的垃圾分類功能，并根據數據進行獎懲，大大提高了垃圾分類效率，提高了人們的環境保護意識，可以為常態化疫情防控、營造健康環境做出應有貢獻。

在實際應用過程中，該垃圾桶仍存在空氣檢測易受環境干擾，準確率不夠穩定的問題，未來仍須進一步優化。此外，還可以構建智能垃圾桶數據分析系統，分析垃圾在不同位置的擺放情況下的數據，為垃圾分類提供更加智能化的服務。