綠創智能垃圾箱的設計

謝 靜 王景芳

（湖南涉外經濟學院信息與機電工程學院，湖南 長沙 410000）

1 系統總體分析與設計

1.1 總體方案設計

設備由伺服電機、垃圾箱、垃圾漏斗、處理入口和攝像頭組成。垃圾漏斗配有AI軟件和邊緣設備組件。垃圾漏斗暫時容納垃圾，以便在明亮的照明條件下由攝像機捕捉，并由嵌入式邊緣設備進行處理。處理入口是智能箱的開口，垃圾箱容納分類垃圾，直流電機將垃圾箱旋轉至垃圾漏斗的閥門。組成智能垃圾箱的所有組件，包括磁性傳感器、磁鐵、智能垃圾箱和旋轉垃圾箱、太陽能板、電池單元、最大功率點跟蹤器和電路。伺服電機允許控制智能垃圾箱上的垃圾漏斗閥；磁性傳感器檢測智能垃圾箱中垃圾容器的位置；太陽能電池板、電池單元以及最大功率點跟蹤器組合為智能垃圾箱電路供電，智能垃圾箱是擬議的嵌入式設備。配備攝像頭的擬議嵌入式設備充當駐留在垃圾箱本地的高級分析層，非常適合基于edgeIoT的系統[1]，并代表控制智能垃圾箱的中央處理系統。可編程電路和集成開發環境確保在物理板上傳擬議的廢物檢測和分類模型。攝像頭支持OTG、自動對焦、自動微光校正功能和即插即用。

綠創智能垃圾箱工作流程如圖1所示。

圖1 綠創智能垃圾箱工作流程

1.2 硬件方案設計

硬件層由超聲波傳感器和攝像頭組成。超聲波傳感器測量垃圾箱的水平，攝像頭捕捉垃圾的圖像。捕獲的圖像通過集線器發送到高級分析層，高級分析層由邊緣計算物聯網設備、用于對象檢測和分類的深度學習模型及用于與在線系統集成以創建廢物類別意識的協作Web服務組成[2]。該框架可以在基于云的并行圖形處理單元平臺上處理圖像，不需要額外硬件投資，可以在本地垃圾箱中處理圖像。

1.2.1 感觀數據聚合

在實現與智能廢物管理相關的不同功能后，將進一步收集傳感器值。

收集的傳感器數據包括料倉1液位、料倉2液位、料斗3液位、負載感應重量和毒氣值。綠創以逗號分隔文件格式將感官數據值收集在一起[3]。發送的累積分隔文件被推送到云端進行分析處理。

1.2.2 傳感器控制系統

智能垃圾箱帶有超聲波傳感器，用于測量垃圾水平；還設置了一個微控制器，用于控制系統的操作，通過液晶顯示器和平臺實時確定4種不同類型垃圾的狀態，即生活垃圾、紙張、玻璃和塑料。傳感器用于監測垃圾箱的液位，垃圾箱裝滿時自動將垃圾箱移動到垃圾收集區處理垃圾，將垃圾箱返回其所在區域。此外，智能垃圾箱還安裝了氣體傳感器和雨水傳感器，提醒人們注意廢物中的有害氣體，雨水檢測傳感器檢測到雨水時會自動關閉垃圾箱。同樣，傳感器也可以測量質量和檢測垃圾箱中的垃圾水平，將垃圾卷上的數據發送到在線服務器進行處理，應用傳感器可以檢測廢物量并通過互聯網傳輸數據。

1.2.3 語音識別設計

語音識別技術即自動語音識別，LD3320語音識別模塊如圖2所示。

圖2 LD3320語音識別模塊

在孤立字的情況下，每個字的開頭和結尾可以直接從信號的能量中檢測出來，相比單詞邊界（切分）檢測和識別單詞連接更容易[4]。在說話者自適應中，系統采用與說話者無關的模型進行引導，逐步適應每個說話者、用戶的具體特點，從而實現智能化語音識別效果。

1.2.4 紅外線檢測設計

垃圾桶紅外線感應蓋如圖3所示。

圖3 垃圾桶紅外線感應蓋

紅外傳感器、超聲波傳感器用于監測垃圾箱隔室中的垃圾和剩余廢物空間水平。首先使用傳送帶起始端的紅外傳感器檢測是否存在垃圾[5]，確定垃圾箱槽內當前狀態，以便計算可存放的廢棄物量。垃圾箱外面有一個正面紅外傳感器，可檢測用戶的接近程度，并自動打開和關閉蓋子，打開和關閉智能垃圾箱蓋所需的線性運動由制動器控制。

1.3 軟件方案設計

1.3.1 語音軟件設計

對設備進行主系統啟動檢測和初始化操作；執行控制面板的通信并分析控制面板發出的命令；語音傳感器的檢測和操作應基于設定控制命令，主要用于不同電機的啟動和停止控制；通過語音傳感器的工作狀態，采集并識別語音信息；系統計算數據，實現可回收垃圾、廚房垃圾、危險垃圾和其他垃圾的識別以及對應垃圾桶的打開和關閉[6]。

1.3.2 應用軟件設計

智能垃圾桶的軟件主要通過Android Studio軟件開發平臺進行開發。基于綠創智能垃圾桶軟件，主要實現4個功能：實現對垃圾桶內部容量的監控，及時清理垃圾，避免垃圾堵塞；實現垃圾桶地理位置的實時監控，發現監控過程中垃圾桶的原始位置是否偏離，如果偏離及時糾正；監控智能垃圾桶各功能模塊的工作狀態，發現異常以鮮紅色顯示，并向手機發送異常提示及時修復，從而恢復智能垃圾桶的正常運行；智能垃圾桶控制接口可以通過控制接口關閉和啟動智能垃圾桶。

2 功能設計

2.1 感應開蓋裝置

4個分區分別配有紅外感應裝置，在知道垃圾種類的情況下，無須語音，手部感應對應種類垃圾箱[7]，快速打開投放口進行投放，有效避免病毒的傳播和感染。

2.2 智能防夾手裝置

每個開蓋口配備防夾手裝置，關蓋過程中觸碰到物體則自動重新打開，安全防護。

2.3 語音播報裝置

內置智能語音宣傳裝置，同時配備人體感應設備，設定范圍內有人存在則自動播放語音內容，無人時或夜間情況自動關閉（有效節省能源和防止擾民），播報內容可根據實際場景及需求定制。

2.4 桶滿檢測裝置

內置100 L分體垃圾桶，配備桶滿檢測裝置，任意一類桶滿后，對應的指示燈亮起，同時將通知發到后臺，便于提示清運人員第一時間清理，環衛工人也可參考后臺控制App得到通知，針對滿桶的區域進行清理。箱體配備斜坡設計，帶輪垃圾桶輕易可取出和安裝，大幅度提高工作效率[8]。功能設計仿真效果如圖4所示。

圖4 功能設計仿真效果

3 外觀設計

城市公共智能分類垃圾桶的造型設計不僅要體現功能，同樣也需要賦予美學意義。智能分類垃圾桶需要滿足分類的功能，在造型設計上要滿足具有放置不同垃圾且相對封閉的空間，以達到垃圾分類的效果，且不會有后續互相污染的情況。在滿足功能需求的基礎上，應考慮垃圾桶的造型美觀，以達到形式與功能的統一[9-10]。

3.1 色彩設計

在智能垃圾桶的色彩設計上，可以用紅色表示有害垃圾，因為紅色通常給人以警覺的感受；用綠色表示廚余垃圾，因為綠色通常代表了生命和環保；用藍色表示可回收垃圾，藍色能讓人放松。對于垃圾桶的色彩設計應提出一套統一的色彩標準，以便人們對垃圾進行分類。

3.2 垃圾桶標志與符號設計

標志一般通過色彩、圖形、文字等視覺符號傳遞視覺信息。在垃圾分類投放行為中，垃圾桶的標志與符號起到了重要的作用，不同種類垃圾的標志符號具有引導和指示人們對垃圾進行分類作用。在垃圾桶的標志設計上，可以通過對標志進行更形象化、更細化設計，以提升垃圾桶標志的可識別性。

4 結語

本文綜合分析各種垃圾箱的優缺點以及智能垃圾箱開發與應用現狀，提出一種新型智能垃圾箱的設計，經過大數據平臺和物聯網等先進手段，能夠更好地推動垃圾分類，使垃圾分類的源頭到處理尾端全流程都有跡可循，將收集的情況數據化，監管更便利透明，有效地推進城市環境的改善，促進資源實現最大化利用，達到城市垃圾減量化的目的。