智能分類垃圾箱設(shè)計(jì)研究

葉志祥

（北京化工大學(xué)，北京 102200）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市化進(jìn)程的穩(wěn)步推進(jìn)，我國(guó)取得了令世界矚目的偉大成就，同時(shí)也產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)歷年的垃圾產(chǎn)生量超過60 億t，占用的土地面積超過5 億m2，有近200 座城市發(fā)展到了無場(chǎng)所堆放垃圾的地步[1]。面對(duì)愈演愈烈的“垃圾圍城”現(xiàn)象，人們不得不考慮垃圾的處理問題。當(dāng)前，我國(guó)垃圾普遍具有成分復(fù)雜、分類不甚明確的特點(diǎn)，并且我國(guó)仍屬于發(fā)展中國(guó)家，公民垃圾分類意識(shí)不強(qiáng)，如何有效地從源頭上對(duì)垃圾進(jìn)行合理分類，變廢為寶，進(jìn)而為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出貢獻(xiàn)，是大眾共同關(guān)注的問題[2]。

1 智能分類垃圾箱的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)垃圾的初步分類，解決垃圾無法分類造成的可回收資源無法回收和資源浪費(fèi)問題，本研究設(shè)計(jì)了智能分類垃圾箱。

1.1 外觀

考慮垃圾箱內(nèi)環(huán)境惡劣，面向的對(duì)象為普通大眾，垃圾箱外側(cè)主要采用鐵質(zhì)材料，顏色為綠、紅、黑，以長(zhǎng)方體為主體形象。

1.2 自動(dòng)感應(yīng)

在垃圾箱外側(cè)安置紅外感應(yīng)裝置，當(dāng)人靠近時(shí)，紅外感應(yīng)裝置會(huì)發(fā)出信號(hào)，使產(chǎn)品內(nèi)部自動(dòng)運(yùn)行。使用者無需與垃圾箱進(jìn)行肢體接觸，更加衛(wèi)生，便于操作。

1.3 內(nèi)部設(shè)計(jì)

垃圾箱內(nèi)部左側(cè)設(shè)有風(fēng)扇和電磁鐵，它們均與繼電器相連，當(dāng)繼電器發(fā)出運(yùn)行信號(hào)時(shí)，風(fēng)扇和電磁鐵開始運(yùn)行。垃圾箱內(nèi)部還設(shè)有高度感應(yīng)裝置，用以監(jiān)測(cè)箱內(nèi)垃圾高度，從而實(shí)現(xiàn)箱滿提示功能。將垃圾箱內(nèi)部分成三個(gè)子桶，分別接收鐵制垃圾、金屬物品、紙張與樹葉等，從而實(shí)現(xiàn)垃圾的初步分類。

1.4 節(jié)能環(huán)保

在箱體外側(cè)設(shè)有繼電器，連接紅外感應(yīng)裝置和箱內(nèi)設(shè)備。當(dāng)接收紅外感應(yīng)裝置的信號(hào)后，再發(fā)送至內(nèi)部，控制產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間，利用單片機(jī)設(shè)定程序，當(dāng)人離開5 s 后切斷電源，從而更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

1.5 方便快捷

為了確保垃圾回收的方便快捷，垃圾箱外側(cè)設(shè)有兩扇可拉動(dòng)的鐵制門，在子桶下方設(shè)置轉(zhuǎn)軸，垃圾回收清理時(shí)，清潔人員只需將子桶繞軸旋轉(zhuǎn)，便可將垃圾進(jìn)行傾倒回收。在垃圾箱兩側(cè)設(shè)有圓柱體煙灰缸、廢舊電池回收桶和正面為圓形開口的水瓶專用回收桶。整機(jī)配有通用鑰匙，既可打開煙灰缸、電池筒，也可打開箱門和水瓶專用桶，輕松實(shí)現(xiàn)垃圾快捷回收,防止垃圾的亂投亂放及分類垃圾后的競(jìng)爭(zhēng)。

2 智能分類垃圾箱設(shè)計(jì)原理

21世紀(jì)是一個(gè)被互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)成就的科技時(shí)代，在各方人才的推動(dòng)下，生產(chǎn)生活中的各類物品、器具與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合愈加緊密，人類對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴程度不斷提高，在這種情況下，垃圾桶的智能化顯得尤為必要。本文設(shè)計(jì)的智能分類垃圾箱主要由供電系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)、傳感組件、垃圾分類模塊和擴(kuò)展接口組成，并結(jié)合云端處理技術(shù)，以盡可能低的成本實(shí)現(xiàn)智能化垃圾自動(dòng)分類，從而在源頭上解決垃圾分類不清晰的問題[3]。

供電模塊承載著為整套系統(tǒng)提供電力的重要作用，是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的基本條件，其具體設(shè)計(jì)可依據(jù)經(jīng)濟(jì)情況和地區(qū)狀況而定。若垃圾箱設(shè)立區(qū)域?yàn)橄癖本?、上海等繁華的市中心地帶，因其供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)、穩(wěn)定，故設(shè)立的智能分類垃圾箱可直接接入城市供電網(wǎng)絡(luò)，由國(guó)家電網(wǎng)為垃圾箱的運(yùn)行提供電力；若垃圾箱設(shè)立區(qū)域經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、離供電網(wǎng)絡(luò)有較遠(yuǎn)距離，則可采用光伏電池—蓄電池結(jié)合的方式為垃圾箱提供較穩(wěn)定的電源。

互聯(lián)網(wǎng)通信模塊兼具與云端交互和指令發(fā)布的功能，是本套系統(tǒng)的核心組件，是智能分類垃圾箱得以運(yùn)行的根本?；ヂ?lián)網(wǎng)通信模塊可通過與云端的交互獲得需要執(zhí)行的指令，并可將指令發(fā)布到系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域，再由各區(qū)域分別執(zhí)行，從而指導(dǎo)垃圾箱完成相關(guān)功能。同時(shí)，通信模塊可將系統(tǒng)獲取到的信息發(fā)送到云端，通過云端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理和發(fā)布等。

傳感組件負(fù)責(zé)對(duì)外界環(huán)境的感知和對(duì)外界信息的收集，是本套系統(tǒng)的“眼睛”所在。其由攝像頭和超聲波距離傳感器組成。傳感組件收集到的信息可發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)通信模塊進(jìn)行處理。垃圾分類模塊由垃圾暫存組件和垃圾動(dòng)力投放組件組成，是垃圾智能分類的“手臂”，擴(kuò)展接口的設(shè)立主要是為了應(yīng)對(duì)如今高速發(fā)展的社會(huì)，增加設(shè)備可持續(xù)利用年限，使本智能分類垃圾箱不至于被迅速淘汰。通過擴(kuò)展接口，人們可以依據(jù)需要接入合適的傳感器或設(shè)備，為本套系統(tǒng)提供新的功能。

圖1 智能分類垃圾箱系統(tǒng)框架圖

3 智能分類垃圾箱系統(tǒng)執(zhí)行方案

3.1 執(zhí)行基本條件

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展尚未達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平，但我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)卻居于世界前列，我國(guó)對(duì)垃圾箱的投入成本不可能過高。因此，本設(shè)計(jì)中的智能分類垃圾箱將復(fù)雜的處理計(jì)算程序置于云端服務(wù)器中進(jìn)行，而作為客戶端的垃圾箱只需具備高速的通信能力和較簡(jiǎn)單的代碼執(zhí)行能力即可。

本文設(shè)計(jì)的智能分類垃圾箱需要對(duì)垃圾進(jìn)行智能化分類，因此除了需要智能分類系統(tǒng)外，必須具有不同類型垃圾的儲(chǔ)存容器。但敞口的垃圾箱容易滋生細(xì)菌、散發(fā)臭氣，對(duì)過往行人造成不利影響，所以本設(shè)計(jì)采用封閉式分類垃圾存儲(chǔ)容器。同時(shí)，因?yàn)榭梢宰龅街悄芑诸悾藗儾槐鼐心嘤诂F(xiàn)有分類方式，可依據(jù)實(shí)用性設(shè)立分類方法，如將垃圾分為宜焚燒垃圾、宜堆肥垃圾、宜其他處理垃圾。

3.2 執(zhí)行步驟

當(dāng)對(duì)智能分類垃圾箱供電后，垃圾箱將處于啟動(dòng)休眠狀態(tài)，人們可以通過云端對(duì)部分或全部垃圾箱進(jìn)行喚醒，喚醒后的垃圾箱所有部分將被激活啟動(dòng)，具備了垃圾自動(dòng)分類功能。

當(dāng)行人從垃圾箱的投入口投入一件垃圾后，垃圾將首先通過投入口進(jìn)入暫存區(qū)，然后迅速被攝像機(jī)捕獲，攝像機(jī)拍下照片后將照片傳給互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)。聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)收到照片并對(duì)照片進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，然后將之發(fā)送給云端服務(wù)器，隨后云端服務(wù)器采用圖像識(shí)別技術(shù)精準(zhǔn)分析照片，并對(duì)垃圾進(jìn)行適合于相應(yīng)智能分類垃圾箱的分類，最后將分類結(jié)果通知垃圾箱。垃圾箱可根據(jù)收到的結(jié)果發(fā)布指令，指導(dǎo)垃圾動(dòng)力投放組件運(yùn)轉(zhuǎn)，將垃圾緩存組件中的垃圾投入對(duì)應(yīng)的垃圾儲(chǔ)存容器中，這樣便實(shí)現(xiàn)了一次垃圾智能分類投放操作，垃圾投放完成后，進(jìn)入空閑狀態(tài)的垃圾暫存區(qū)回到初始位置，以便接受下一次垃圾處理。

每次攝像機(jī)捕獲到垃圾投入時(shí)，系統(tǒng)通知超聲波距離傳感器獲取各垃圾儲(chǔ)存容器中垃圾含量，并將得到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)通信模塊發(fā)送給云端服務(wù)器，云端服務(wù)器可將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、統(tǒng)計(jì)、分析處理后，利用大數(shù)據(jù)手段，派送垃圾車以服務(wù)器計(jì)算得到的最優(yōu)路線前往各垃圾箱處收集垃圾。另外，服務(wù)器還可利用各地區(qū)垃圾日投放量信息，優(yōu)化城鎮(zhèn)垃圾箱設(shè)立數(shù)量和設(shè)立位置，使每一個(gè)垃圾箱都能充分利用，避免不必要的浪費(fèi)。

3.3 垃圾處理系統(tǒng)

垃圾處理系統(tǒng)主要由紅外線測(cè)量模塊組成，利用紅外線傳播時(shí)的不擴(kuò)散原理，紅外線在穿越其他物質(zhì)時(shí)折射率很小，所以長(zhǎng)距離的測(cè)距儀都會(huì)考慮紅外線，而紅外線的傳播是需要時(shí)間的，紅外線從測(cè)距儀發(fā)出后，碰到反射物被反射回來并被測(cè)距儀接收，再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接收的時(shí)間及紅外線的傳播速度計(jì)算出距離。依此原理，人們?cè)诶鴥?chǔ)存箱的頂部位置發(fā)射紅外線，當(dāng)感應(yīng)到垃圾高度接近箱體高度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出信號(hào)，呼叫管理人員進(jìn)行收集。

3.4 太陽能發(fā)電供能系統(tǒng)

太陽能光伏發(fā)電是指利用半導(dǎo)體、太陽能電池（也稱光伏電池）的光生伏特效應(yīng)，直接將太陽能變成電能，它是一種零排放的清潔能源。太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的重要形式，是最具發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)之一。太陽能電磁板將光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過充電控制器、深循環(huán)蓄電池組、逆變器等處理輸出電流，再通過ACM 的體內(nèi)電網(wǎng)為各耗能系統(tǒng)供能。

4 結(jié)語

對(duì)現(xiàn)有垃圾箱的改造是“一改而得萬利”之事，是造福社會(huì)的重要舉措。本文所設(shè)計(jì)的智能分類垃圾箱只是一個(gè)初步設(shè)想，人們還可在其上添加更多的功能，如可加入環(huán)衛(wèi)APP 同步服務(wù)器數(shù)據(jù)，使環(huán)衛(wèi)工人能夠獲取各智能分類垃圾箱中垃圾含量信息，從而提高環(huán)衛(wèi)工作效率。同時(shí)，智能分類垃圾箱需要垃圾分類運(yùn)輸車和垃圾分類收集中轉(zhuǎn)站配合才能完美發(fā)揮功能，因此對(duì)現(xiàn)有垃圾箱進(jìn)行改造是一個(gè)龐大的工程，可以先在大城市試點(diǎn)后逐步推向全國(guó)。未來，“垃圾圍城”現(xiàn)象將不再出現(xiàn)，中國(guó)城市會(huì)逐步走向良性 循環(huán)。