多功能智能垃圾桶的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳寧昕 楊佳睿 董英浩 彭小菲 李東朔 李春偉

摘要：針對(duì)市場(chǎng)上垃圾桶存在的功能單一等問(wèn)題，本文基于智能化的設(shè)計(jì)理念，提出設(shè)計(jì)一款多功能智能垃圾桶，可實(shí)現(xiàn)垃圾智能識(shí)別、環(huán)境監(jiān)測(cè)、殺菌消毒、聲控尋跡、自動(dòng)開(kāi)蓋、太陽(yáng)能供電、語(yǔ)音提醒及麥克納姆輪等多種功能，該垃圾桶的設(shè)計(jì)方案具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：多功能垃圾桶；智能識(shí)別；環(huán)境監(jiān)測(cè)；殺菌消毒

中圖分類(lèi)號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2020） 11-0087-03

基金項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202010225075）

Innovative Design of Multifunctional Intelligent Dustbin

CHEN Ning-xin， YANG Jia-rui， DONG Ying-hao， PENG Xiao-fei， LI Dong-shuo， LI Chun-wei（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： In view of the single function of the dustbin in the market， based on the intelligent design concept， this paper proposes to design a multi-functional intelligent dustbin， which can realize the functions of garbage intelligent identification， environmental monitoring， sterilization， voice tracking， automatic cover opening， solar power supply， voice warning and Mecanum wheel. The design scheme of the dustbin has certain promotion and use value value.

Keywords： multifunctional dustbin； intelligent recognition； environmental monitoring； sterilization

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，垃圾分類(lèi)已經(jīng)成為一個(gè)需要迫切解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。2019年7月1日起，上海步入“強(qiáng)制”垃圾分類(lèi)時(shí)代，全市城管執(zhí)法系統(tǒng)全面貫徹實(shí)施《條例》，聚焦“分類(lèi)投放、分類(lèi)收集、分類(lèi)運(yùn)輸、分類(lèi)處置”四個(gè)環(huán)節(jié)，深入開(kāi)展生活垃圾分類(lèi)執(zhí)法行動(dòng)，為促進(jìn)生活垃圾源頭減量和資源循環(huán)利用提供有力的執(zhí)法保障。同時(shí)，實(shí)行垃圾分類(lèi)，關(guān)系廣大人民群眾生活環(huán)境，關(guān)系節(jié)約使用資源，也是社會(huì)文明水平的一個(gè)重要體現(xiàn)[1-3]。國(guó)家越來(lái)越重視垃圾分類(lèi)，百姓也應(yīng)當(dāng)積極響應(yīng)國(guó)家的號(hào)召。但突如其來(lái)垃圾分類(lèi)對(duì)于普通市民來(lái)說(shuō)，確實(shí)是一項(xiàng)棘手的任務(wù)。因此，為了節(jié)約時(shí)間，方便百姓生活，設(shè)計(jì)和研發(fā)一款可智能分類(lèi)的多功能垃圾桶具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，中國(guó)已有學(xué)者開(kāi)始研究智能分類(lèi)垃圾箱，例如，通過(guò)樹(shù)莓派進(jìn)行垃圾識(shí)別再投放，從而達(dá)到分類(lèi)的效果。但是這種僅僅具有單一功能的垃圾桶已無(wú)法滿(mǎn)足人民生活的需要，基于此，本文提出設(shè)計(jì)一款具有多種功能的智能垃圾桶，以期為解決垃圾回收問(wèn)題提供一定的理論支撐和技術(shù)借鑒。

1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)目前市場(chǎng)的垃圾桶的存在的問(wèn)題進(jìn)行分析[4-6]，結(jié)合市場(chǎng)情況的調(diào)查，提出設(shè)計(jì)一款多功能智能垃圾桶，將多種實(shí)用性功能集于一體，最終達(dá)到“一桶多用”的目的。多功能智能垃圾桶的設(shè)計(jì)思路：首先針對(duì)垃圾桶的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體布局，然后對(duì)各功能的實(shí)現(xiàn)路徑和手段進(jìn)行大致規(guī)劃，再將每項(xiàng)功能進(jìn)行獨(dú)立性設(shè)計(jì)并加以實(shí)現(xiàn)，最終給出能夠集垃圾精準(zhǔn)分類(lèi)的多功能智能垃圾桶的設(shè)計(jì)方案。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1智能識(shí)別功能

采用二元分類(lèi)的策略將垃圾分為干垃圾與濕垃圾兩類(lèi)，具體可采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖片分類(lèi)的功能。智能垃圾桶總體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）在托盤(pán)上安裝一個(gè)與樹(shù)莓派相連接的壓敏電阻。垃圾被扔入垃圾桶后，通過(guò)壓敏電阻，給樹(shù)莓派一個(gè)控制信號(hào)。樹(shù)莓派與攝像頭連接，然后控制攝像頭拍照。

2）拍完的照片再傳給樹(shù)莓派，輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，再由卷積層對(duì)垃圾圖

像進(jìn)行特征提取，然后經(jīng)由池化層對(duì)得到的特征圖像進(jìn)行降為處理，由激勵(lì)層做出非線性映射，然后由全連接層對(duì)多個(gè)特征值進(jìn)行整合，最后由輸出層進(jìn)行分類(lèi)。工作流程如圖2所示。

3）分類(lèi)結(jié)果傳入Arduino，然后操縱電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2監(jiān)測(cè)環(huán)境功能

該款智能垃圾桶裝配著空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，能夠?qū)κ覂?nèi)溫度、濕度與VOC氣體的實(shí)時(shí)采集處理、顯示、報(bào)警等功能。

該功能的實(shí)現(xiàn)步驟如下：1）以單片機(jī)stm32f103zet6為核心，選擇溫度傳感器LMT70，并用鋰電池給儀器供電。2）利用MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保證前臺(tái)數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確，有利于進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)。3）顯示部分采用LCD1602顯示屏，循環(huán)顯示各項(xiàng)測(cè)量值的上下限及實(shí)際濃度、實(shí)際溫度、濕度。并在按鍵選擇情況下連續(xù)顯示一個(gè)測(cè)量值的變化。4）當(dāng)有害氣體濃度超出安全范圍時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。5）按鍵操作可進(jìn)行測(cè)量值范圍的調(diào)整，及手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)量的轉(zhuǎn)換。

2.3殺菌消毒功能

新型冠狀病毒肺炎爆發(fā)，衛(wèi)生安全格外重要。由于垃圾中可能包含廢棄口罩等物品，為防止病毒擴(kuò)散，在垃圾桶內(nèi)安裝紫外線燈，可使該垃圾桶具有殺菌消毒功能。

該功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：在垃圾桶頂部的蓋子內(nèi)側(cè)裝置兩個(gè)長(zhǎng)型管狀的紫外線燈管。使用者可以根據(jù)需要，隨時(shí)選擇消毒時(shí)間。為保護(hù)燈管，打開(kāi)開(kāi)關(guān)的一小時(shí)后，紫外線燈將會(huì)自動(dòng)熄滅。在燈管的電源接一個(gè)控制開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)連接Arduino，Arduino內(nèi)部設(shè)置延時(shí)30分鐘，即可實(shí)現(xiàn)該功能。紫外線燈管如圖3所示。

2.4聲控尋跡功能

智能垃圾桶配備有聲控尋跡功能，不僅可以節(jié)省家庭垃圾桶數(shù)量，實(shí)現(xiàn)資源最大化利用；另一方面還可以大大提高扔垃圾的便捷程度，提升家庭生活幸福感。

該功能的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先在地上規(guī)劃出垃圾桶的運(yùn)動(dòng)路徑（客廳到廚房、客廳到臥室等），然后在垃圾桶上裝置紅外尋跡模塊和聲控裝置。紅外尋跡模塊與聲控裝置連接Arduino，并設(shè)置好語(yǔ)音控制命令（“過(guò)來(lái)廚房”、“過(guò)來(lái)臥室”等等）。Arduino連接垃圾桶底部輪子上的電機(jī)。例如，當(dāng)使用者發(fā)出“過(guò)來(lái)廚房”指令，垃圾桶將會(huì)根據(jù)設(shè)定好的路徑移動(dòng)到廚房。

2.5自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋功能

智能垃圾桶的自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：在垃圾桶正面安裝紅外線傳感器，并連接Arduino。當(dāng)使用者的手靠近垃圾桶正面時(shí)，紅外線傳感器檢測(cè)到手部經(jīng)過(guò)感應(yīng)區(qū)域，然后將信號(hào)傳入Arduino。Arduino控制舵機(jī)，打開(kāi)垃圾桶。

2.6太陽(yáng)能供電功能

智能垃圾桶的太陽(yáng)能供電功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：在垃圾桶的頂部安裝太陽(yáng)能電池板，連接垃圾桶內(nèi)部的電源。在陽(yáng)光充足的情況下給電源蓄電。同時(shí)安裝備用電源，在連續(xù)陰天的情況下，由備用電源直接供電。

2.7語(yǔ)音提醒功能

智能垃圾桶的語(yǔ)音提醒功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：在垃圾桶內(nèi)的上方安裝一個(gè)位置傳感器并連接Arduino，其中位置傳感器選擇接近式傳感器。當(dāng)垃圾桶中的垃圾接近設(shè)定的位置時(shí)，傳感器發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)傳給Arduino。Arduino再將信號(hào)傳入語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)，就可以發(fā)出語(yǔ)音，提醒使用者打包垃圾并更換垃圾袋。

2.8麥克納姆輪功能

麥克納姆輪的全方位運(yùn)動(dòng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)在有限的空間內(nèi)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式?？梢栽诶暗撞堪惭b四個(gè)麥克納姆輪，使垃圾桶在聲控尋跡的過(guò)程中可以靈活運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款集垃圾智能識(shí)別、環(huán)境監(jiān)測(cè)、殺菌消毒、聲控尋跡、自動(dòng)開(kāi)蓋、太陽(yáng)能供電、語(yǔ)音提醒及麥克納姆輪等多種功能為一體的智能垃圾桶。它不僅為人民生活提供了便利，而且對(duì)于節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)也具有一定的積極意義，可為各類(lèi)人群及多種應(yīng)用場(chǎng)合提供更科學(xué)便捷的服務(wù)。

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