節(jié)能交互型智能垃圾桶的設計

郭心如 郝慧榮 耿正龍 丁智軍 邱洋懿 薛佳樂

（內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特010051）

中國共產黨十九大報告提出著力解決突出環(huán)境問題。近年來，中國加速推行垃圾分類制度，全國垃圾分類工作由點到面、逐步啟動、成效初顯。習近平主席強調，實行垃圾分類，關系廣大人民群眾生活環(huán)境，關系節(jié)約使用資源，也是社會文明水平的一個重要體現。垃圾桶是重要的保潔工具，協調人與城市環(huán)境關系，也影響著垃圾回收效率[1]。

1 國內外狀況對比

1.1 國內外垃圾分類處理分析

現階段，傳統填埋式垃圾處理方式已經難以滿足日漸增長的垃圾處理需要，旨在減量化、資源化的垃圾分類制度成了必然選擇。

西方發(fā)達國家早在20 世紀60 年代就開始實施生活垃圾源頭分類，經過半個世紀已經形成一套比較完整的分類體系并取得顯著成效。

表1 為國內外垃圾分類的對比。中國目前基本處于政府部門主導、全方位管理運營、垃圾混合收集階段，一方面增加了垃圾收集運輸的工作量；另一方面增加了垃圾處理的技術難度、工程投資和運行費用。且垃圾分類收集缺乏法律法規(guī)及技術標準和設備設施支持,宣傳教育工作不到位,民眾認知程度低,參與積極性小[3]。

表1 國內外垃圾分類的對比[2]

1.2 國內外垃圾桶使用分析

目前國內公共垃圾桶主要分為固定型和可移動型兩種。形式單一，結構采用了傳統的開放式或手動封蓋式，功能簡單，設計只完成了中間環(huán)節(jié)，忽略垃圾后續(xù)處理問題，垃圾混裝收運現象也嚴重破壞了可回收物垃圾桶的分類效果[4]。

美國垃圾回收企業(yè)有專業(yè)人員進行垃圾分類回收，設備研發(fā)，運用高科技進行垃圾分類分解。美國Big Belly Solar 公司發(fā)明了一種智能垃圾桶，通過頂部太陽能為垃圾桶提供電源，壓縮機在垃圾快倒?jié)M40 秒內將其體積壓縮至原來的1/5，等到垃圾滿時又會自動聯網發(fā)送垃圾桶已滿及地理位置等信息至垃圾處理中心。

日本從1980 年起就開始執(zhí)行垃圾分類，垃圾分類達8 類513 款，政府制定了一系列法律來規(guī)范國民的垃圾分類，比如高額罰金等。日本公共場所的垃圾桶并排擺放不少于3 個，分類極為詳細,連香煙盒這種垃圾都可以被分成3 種材料丟棄:外包的薄膜是塑料,盒子是紙制,封口的一圈鋁箔是金屬[5]。

在德國，每棟居民樓都配有四種顏色鮮明的垃圾桶。比如,在柏林有藍、綠、黃和灰四種顏色的垃圾桶。藍色桶放可回收利用的紙類,綠色桶放玻璃制品,黃色桶放塑料包裝、金屬垃圾和日常廢舊塑料等,灰色桶放有機垃圾[6]。表2 給出了國內外垃圾桶使用的優(yōu)缺點對比。

表2 國內外垃圾桶使用的優(yōu)缺點對比

2 垃圾桶硬件設計

2.1 垃圾桶

圖1 為垃圾桶結構設計概念圖。

圖1 垃圾桶結構概念圖

此垃圾桶基于傳統垃圾桶的設計結構增加了部分機械裝置和電子智能裝置。該桶將用于垃圾分類的小型垃圾桶置于一個大型桶中，投放垃圾后，垃圾將在一條非常長的通道被掃描判斷。當垃圾種類確定后，利用原動機給予的能量，ECU 發(fā)出指令來控制垃圾桶蓋的閉合和機械爪手對垃圾的傳送。當垃圾即將裝滿時，對其進行機械式壓縮，再次裝滿時，垃圾桶自動連接物聯網發(fā)送相關數據提醒相關人員及時清理垃圾。

2.2 機械傳動裝置

投放口鏈接通道會很長以便準確地檢驗垃圾種類。此部分將利用原動機供給的能量、ECU 的指令來控制桶蓋的閉合與垃圾的傳送，最后根據垃圾的種類、壓縮機構的特點等，將存儲在內部的垃圾進行機械式壓縮。其邏輯圖為圖2 所示。

圖2 機械傳動裝置邏輯圖

考慮到垃圾桶蓋衛(wèi)生問題，設計了自動開關桶蓋，利用紅外測距傳感器，當檢測到有物體靠近時，自動打開桶蓋，10 秒后自動蓋上。這樣在人們投擲垃圾的時候，手不會被弄臟，功能實用且人性化。

2.3 能源設計

在垃圾桶的頂部安裝太陽能板，并為其設計了一種提高太陽能光電轉化效率的控制裝置，基于用戶移動設備定位的太陽能自動追光裝置及追光方法，通過分析太陽的角度來轉動太陽能板，使太陽能板更多地吸收太陽光。圖3 為此裝置控制流程。當用戶投放垃圾時，定位模塊開始工作，數據分析出結果以后控制模塊驅動步進電機來調整自動追光裝置，太陽能轉化后的電能一部分供給垃圾桶運轉工作，另一部分反向給電池充電或自身存儲，保持在某些特定條件下繼續(xù)為垃圾桶持續(xù)供電[7]。

圖3 太陽能控制流程圖

3 垃圾桶軟件設計

3.1 垃圾分類功能

垃圾桶上安有攝像頭，通道四周安裝視覺傳感器，當垃圾掉入垃圾桶上層隔板時，攝像頭將捕捉的垃圾外形及特點傳給ECU，ECU 將其與數據庫中信息進行比對，確定垃圾種類。ECU控制容器門開關并將判斷結果輸入到控制端，機械控制端分揀，傳送與儲存垃圾，完成垃圾分類。通過監(jiān)測垃圾儲量，主機命令壓縮機進行壓縮垃圾體積以擴大垃圾桶內部容積。垃圾桶主要通過不同的垃圾材質識別五類垃圾：（1）材料垃圾（包括玻璃、廢紙、橡膠、塑料等）；（2）無機垃圾組（爐灰渣、磚瓦、陶瓷等）；（3）有毒有害垃圾（殺蟲劑容器、過期藥物、醫(yī)療廢物以及廢舊電器的電子垃圾等）；（4）有機垃圾（廚房垃圾、生物垃圾等）；（5）其余垃圾（其余無法檢驗出來的垃圾）。

3.2 與人交互功能

迎合智能化手段，此戶外智能垃圾桶增設標語宣傳和音頻宣傳功能。LED 屏幕不間斷地顯示宣傳標語“保護環(huán)境 垃圾分類”等。在垃圾桶外加設語音播放裝置和傳感器，當人群靠近垃圾桶時播放宣傳音頻，提醒人們對垃圾分類投擲。為了體驗科技時代便捷性，開發(fā)出一款“智能型分類垃圾桶”的APP，并建立強大的數據庫作為后臺技術支撐和雙重保障。圖4 為APP 設計界面。本產品用于圖形界面內容,通過掃描智能垃圾桶的二維碼實現用戶與垃圾桶的互動,并具有搜索垃圾知識、積分兌換、垃圾桶定位、管理員等功能[8]。

圖4 垃圾小助手APP 設計界面

3.3 垃圾儲量控制

考慮到現實生活中垃圾滿溢現象影響環(huán)境衛(wèi)生，也給扔垃圾的行人造成不便。因此本設計在垃圾桶內安裝藍牙，以便實時監(jiān)測垃圾容量，當壓縮操作進行后監(jiān)測到垃圾儲量達到桶容積的80%，則將通過電機控制垃圾蓋不可打開。通過GPS 模塊，利用網絡數據傳輸發(fā)送垃圾桶的實時位置，提醒相關人員及時清理垃圾。

3.4 自動跟隨功能

傳統式垃圾桶有固定型和移動型兩種，并不能滿足現代人群的節(jié)奏。當時間緊迫或事物繁忙之時，人們往往無法投擲或準確投擲手中垃圾，為此設計了垃圾桶自動跟隨功能。當人向其前進至距離垃圾桶0.5 米之時，垃圾桶將根據ECU 指令向目標人物行進，并自動跟隨0.5 米，使垃圾得到準確投擲，并在此動作之后，垃圾桶將智能返回原位。

4 垃圾桶附加功能設計

垃圾桶外形結合地域特色進行設計，以內蒙古為例，加入蒙古族元素，如常見單獨紋樣元素：哈木爾、犄紋、卍紋、哈敦綏格、渦紋、盤腸、汗寶古等，弘揚和傳播具有地方特色的蒙古族文化，讓各地的人知道和了解內蒙古的文化和文明。

市場現行垃圾桶大多采用木材，塑料或金屬等材料制成，不能完全滿足夜間使用需求，例如在光線較暗的地方放置垃圾桶，不熟悉周圍環(huán)境的投放垃圾者或視力較低的人群將難以快速找到垃圾桶?；诖朔N情況，這款垃圾桶外表一層覆蓋反光材料，些許光線照射到垃圾桶時，反光材料將顯示出垃圾桶的位置，便于人們快速準確地找到垃圾桶。

且戶外環(huán)境中垃圾桶常常會存在垃圾氣味，并隨著垃圾容量的增多和氣溫的升高而逐漸明顯。此問題在設計中由噴鳴系統來完成，可以確保垃圾桶不會發(fā)出惡臭的味道，以達到垃圾除臭消毒的目的。

5 結論

本設計響應十九大報告中提出的堅持新發(fā)展理念，堅持人與自然和諧共生，加快生態(tài)文明體制，改革建設美麗中國的思想而萌芽。其結合控制器和大量的傳感器設計了節(jié)能交互型智能垃圾桶，其功能完善、使用方便，更適應現代化生活。該垃圾桶不僅實現垃圾的智能分類、還附帶有節(jié)約能源、與人交互、垃圾儲量控制、自動跟隨等功能，較好地滿足了用戶的需求，為用戶使用帶來便利。其既與垃圾收集工作人員建立了高效合作關系，又與用戶建立了良好的互動和情感關聯，在很大程度上滿足了目標市場的需求。