基于物聯網技術的智能垃圾分類機器人設計與實現

摘要：目前，垃圾回收系統仍然依賴于人工進行垃圾的分揀、回收、利用和統計，存在效率低、損耗大等問題，亟須技術創新來節省人力資源。得益于物聯網、人工智能、大數據等技術的發展，智能化、自動化的垃圾處理成為可能。設計了一款新型智能垃圾分類機器人，旨在提高垃圾收集、分類、處理和回收的效率，減少資源消耗和能源消耗，優化垃圾處理流程，并提升居民的環保意識和參與度。同時，通過云平臺實時監控垃圾桶的充盈度，進一步提高城市垃圾處理的智能化水平，最終實現城市環境的可持續發展。

關鍵詞：物聯網技術；智能機器人；垃圾分類；云平臺

中圖分類號：TP242.6；TP273 文獻標識碼：A

0 引言

隨著人們生活水平的提高，產生的垃圾也日益增多，大多數垃圾難以自然分解，會釋放大量的有毒物質[1]，給土壤及生態環境造成嚴重的污染，進而導致農作物的產量下降。開展垃圾分類管理能減少環衛工人處理垃圾的數量，不僅能減少垃圾對土壤的危害，同時還能節省寶貴的人力資源。

自黨的二十大報告提出“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生”以來，人們對于環境保護的需求日益增強。中國生活垃圾量的增長是智能垃圾行業市場規模增長的主要驅動力，垃圾分類推行政策與物聯網技術快速發展為智能垃圾分類行業提供增長基礎[2]。同時，通過對可回收垃圾進行精細分類，可以將其轉化為有價值的資源，減少對土壤的危害，推動循環經濟的發展[3]。此外，基于市面傳統垃圾桶存在的難以分類、手動開合、操控不便和垃圾分類不便捷等問題，本文提出了一種解決方案。

本文設計了一款基于物聯網技術的智能垃圾分類機器人，該機器人集成了深度學習和語音識別模塊，實現人機交互功能，通過云平臺對垃圾桶進行監控和遠程管理，并將垃圾桶內情況實時傳輸至云端。用戶可通過手機應用程序或者云平臺進行查看和控制垃圾桶的狀態。這款機器人可為市容市貌維護服務企業、資源管理部門、環保部門提供高效的垃圾智能分類解決方案。

1 系統總體設計方案

基于物聯網技術的智能垃圾分類機器人設計包含硬件設計和軟件設計兩個部分。硬件設計主要實現的功能是完成機械操作，驅動語音識別、紅外對管等模塊執行相應的動作，以實現垃圾桶自動開合和語音播報。軟件設計實現的功能是開展相應的聯網通信、實時監測，同時能夠控制硬件板塊完成相應的動作，并與云平臺進行交互[4]。此外，云平臺還具有系統后臺匯集信息的功能，形成數據庫，掌握分布在各地區的垃圾桶的充盈度情況和分類回收的品種數量，方便居民投放，有利于后期管理[5]。

硬件系統由主控制器、語音識別模塊、紅外對管模塊、Wi-Fi 模塊、藍牙模塊、舵機模塊、手機應用程序和云平臺組成，系統總體框圖如圖1 所示。

2 系統硬件設計

2.1 主控制器

主控制器采用高性能的微控制器STM32F411RET6，它具有出色的性能和豐富的外設，適用于各種應用領域，該微控制器運行頻率高達100 MHz，具有浮點運算單元，能夠提供優異的計算性能。由于其具有極高的工作頻率和12 個16位定時器，因此垃圾分類機器人能夠高速實現語音識別等功能[5]。

STM32F411RET6 還配備了豐富的存儲器資源，包括512 kB 的閃存和128 kB 的靜態隨機存儲器，這些資源不僅能滿足復雜應用程序的存儲需求，還可以在本地存儲垃圾桶充盈度監測數據。當這些資源通過網絡在系統后臺匯集后，以此形成數據庫，便于系統管理者掌握各地區垃圾分類的相關情況和分類回收的品種數量，也方便居民投放，有利于后期的社區管理[5]。

2.2 語音識別模塊

LU-ASR01 語音識別模塊是一種專門用于將語音信號轉化為數字信號，并進行實時語音識別的模塊。STM32F411RET6 可以作為LU-ASR01 語音識別模塊的主控制器，通過外部中斷或定時器等功能，實現語音信號的采集和處理，然后將采集的語音信號傳遞給LU-ASR01 模塊進行語音識別，該模塊將識別后的結果通過串口與主控制器進行通信，以告知主控制器進行相應操作。

該語音識別模塊因其可拓展性強、易于集成的特點，為嵌入式系統提供了更加智能的交互方式。

2.3 紅外對管模塊

紅外對管模塊是一種集成了紅外接收器和解碼器的模塊，用于接收來自紅外遙控器等設備發出的紅外信號，并將其解碼為可處理的電信號。它通常由紅外接收頭、信號放大電路和解碼電路等組成，能夠實現對紅外信號的接收、解析和反饋。它廣泛應用于自動化設備中，如自動門禁系統和自動售貨機等。通過接收紅外信號，實現設備的自動開啟、關閉、識別等功能，提升設備的智能化水平和便利程度。

本文采用4 個垃圾桶盛裝不同類型的垃圾，每個垃圾桶都配備了紅外發射接收對管，可以較為便利地檢測垃圾桶內的垃圾是否裝滿。具體來說，每次垃圾投入時，紅外發射接收對管電路都會檢測到一次信號改變。而每次垃圾投入后，相應的數據都將被發送到主控芯片，再由Wi-Fi 模塊將這些數據上傳到云平臺并且進行數據分析，直到檢測到垃圾桶滿溢。

2.4 Wi-Fi 模塊和藍牙模塊

ESP8266 是一款超低功耗的Wi-Fi 模塊，可將用戶的物理設備連接至Wi-Fi 無線網絡，進行互聯網或局域通信，實現聯網功能[6]。

通過Wi-Fi 模塊與主控制器和云平臺的連接，實現對垃圾桶的控制。Wi-Fi 模塊先接收云平臺發送的命令，再通過串口與主控制器進行通信。當主控制器接收到來自Wi-Fi 模塊的信息后，立即執行相應操作，從而實現遠程控制。

同時，Wi-Fi 模塊還可以實現將垃圾桶的滿溢情況等信息上傳至云平臺。具體來說，主控制器負責接收來自紅外對管的狀態數據并將其轉化為JavaScript 對象表示（JavaScript object notation，JSON）格式，再通過串口發送給Wi-Fi 模塊，最后由該模塊通過消息隊列遙測傳輸（message queuingtelemetry transport，MQTT）協議將垃圾桶是否裝滿的數據發送至云平臺。

除了Wi-Fi 模塊以外，HC-05 藍牙串口通信模塊也用于智能終端，如手機通信。它具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式。本文采用藍牙模塊先進入命令響應工作模式，此時模塊上電后進入AT（attention）模式，可以直接發送AT 指令[7]，在AT 指令的指揮下，藍牙模塊直接進入自動連接工作模式，然后藍牙模塊將與手機應用進行連接，建立云平臺與手機應用程序間的通信鏈路，方便數據雙向傳輸。

2.5 手機應用程序

為了更好地體現人機互動和智能化，本文自主設計了一款手機應用程序，它與云平臺進行交互，為用戶后續調試和使用提供了極大的便利[8]，且具有終端控制和數據收集的功能。

如圖2 所示，手機應用程序具有友好的智能界面，其提供了“首頁”“指南”“設置”3 個按鈕。在“首頁”中點擊“連接設備”可以連接云平臺。當智能垃圾桶連接成功后，通過點擊4 種不同垃圾分類的按鈕，可以使用手機智能終端控制垃圾桶；通過點擊“指南”按鈕，則可進入“垃圾分類指南”頁面，以網頁的形式顯示該垃圾分類指南內容，指導中老年人如何分類投放垃圾；通過點擊“設置”按鈕，可以進行網絡連接和數據傳輸的通信設置。

實際上，垃圾桶的充盈度顯示與報警功能也能在該智能終端體現。當網絡連接、數據傳輸的通信設置正確，且手機終端與云平臺成功連接時，智能終端能夠實時監測垃圾桶的充盈度，并且在手機應用程序端和云平臺實時顯示，在出現異常時向用戶發送報警信息。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計主要程序是將生活中的垃圾劃分為不同的類型，主要包括可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾和其他垃圾。在垃圾桶使用過程中，智能垃圾桶通過Wi-Fi 模塊自動連接可用網絡。在垃圾分類過程中，用戶可以通過語音喚醒垃圾桶，即說出該垃圾的名稱，垃圾桶自動打開相應類型垃圾桶的桶蓋，進行垃圾分類和投放，并告知用戶該垃圾所屬的類型。

當垃圾入桶后，由紅外對管模塊檢測垃圾桶中垃圾數量，將數據實時發送至云平臺，用戶可在手機應用程序端查看。若檢測到垃圾桶中垃圾已滿，則通知用戶對相應垃圾桶進行清理。此外，垃圾桶還能通過手機應用程序來控制，使用手機即可直接控制各個垃圾桶桶蓋的開合，以便進行分類和投放。主程序流程如圖3 所示。

4 系統調試

如圖4 所示，本文搭建了一套智能垃圾分類機器人實物，并且經過反復實驗和不斷調試，最終達到了預想的效果。垃圾桶通電后，系統語音提示“歡迎使用用芯應隊智能垃圾桶，請說‘小鹿同學’喚醒我”，當接收到語音喚醒指令后，垃圾桶便會打開。

為了驗證本文設計垃圾桶的功能，分別記錄了手機應用程序控制檢測、語音識別檢測、云平臺容量檢測全過程。

4.1 手機應用程序控制檢測

垃圾桶共有4 種類型，分別用于回收可回收垃圾、其他垃圾、廚余垃圾和有害垃圾。用戶可通過手機應用程序端自由控制各個垃圾桶的開合，并實時監控它們的狀態。

4.2 語音識別檢測

語音識別模塊可以幫助用戶正確識別垃圾種類，當用戶說出垃圾的名稱時，該模塊會根據語音識別的結果，通過云平臺大數據中心對該垃圾類型進行查詢，并且自動打開相對應的垃圾桶。例如，當語音模塊接收到“可回收垃圾”的語音指令時，通過控制相應舵機旋轉打開可回收垃圾桶桶蓋，并語音播報“可回收垃圾桶已打開”；當語音模塊接收到“塑料瓶”“金屬”等可回收垃圾的聲音時，會自動打開相對應的垃圾桶，還可以語音告知用戶該垃圾類型為“可回收垃圾”，其他3 種垃圾桶工作情況也相同。

若所有垃圾桶均未接收到語音指令，30 s 后，垃圾桶則進入待機狀態，并語音提示“我退下了，請說‘小鹿同學’喚醒我”，用戶通過說出該喚醒詞即可重新啟動垃圾桶。

4.3 云平臺容量監測

在使用語音打開桶蓋并投放垃圾后，延時3 s，舵機反向轉動，關閉桶蓋，同時，紅外對管模塊將監測垃圾桶內的充盈度（圖5）。若垃圾桶已滿則發出警報信號至手機應用程序、云平臺，通知用戶對垃圾桶進行及時清理。

5 結語

本文設計了一個智能垃圾分類的嵌入式集成系統，詳細介紹了各個模塊的設計原理，并實現了預期功能。系統可以通過專屬的語音指令來打開垃圾桶，并反饋用戶投放垃圾的類型，從而提高了小區智能化水平。此外，本文還設計了云平臺，它與手機應用程序實現了通信控制、數據共享。云平臺還可控制垃圾桶，并與手機應用程序進行交互，這提高了垃圾分類的效率，有效避免了人力資源的浪費。隨著智能垃圾分類的發展，本設計將具有更廣闊的應用前景。

參考文獻

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基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202411116010）。