具有人機(jī)交互功能的智能垃圾分類(lèi)裝置的設(shè)計(jì)*

李學(xué)偉 ， 趙晨星 ， 寇 涵 ， 賈錫振 ， 孟昕元

（河南工學(xué)院智能工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

據(jù)世行報(bào)告預(yù)測(cè)，隨著快速城市化、人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全球垃圾量2030年將達(dá)到25.9億噸，2050年將達(dá)到34億噸[1]。近年來(lái)，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注垃圾分類(lèi)，但情況依然嚴(yán)峻。為了解決日益嚴(yán)重的城市環(huán)境問(wèn)題和資源有限的問(wèn)題，垃圾分類(lèi)顯得尤為重要[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的方案多為末端回收方法的創(chuàng)新，前端收集依賴(lài)于人們的自覺(jué)性，垃圾分類(lèi)效率很低，周期長(zhǎng)，導(dǎo)致末端過(guò)程難度增大，解決垃圾分類(lèi)前端問(wèn)題對(duì)于垃圾分類(lèi)現(xiàn)狀具有重要意義[3-4]。

我國(guó)城鎮(zhèn)人口中50%以上為上班族，隨著城市生活節(jié)奏的逐漸加快，大多上班族工作忙碌，早出晚歸，很難有時(shí)間對(duì)生活垃圾進(jìn)行精細(xì)分類(lèi)。第七次全國(guó)人口普查報(bào)告顯示，60歲及以上老年人口超2.64億[5]，老年人對(duì)垃圾分類(lèi)接受較慢，有相當(dāng)一部分難以完成對(duì)生活垃圾的分類(lèi)。據(jù)世界衛(wèi)生組織和《2006第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查資料》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)約有1 233萬(wàn)盲人，占整個(gè)世界盲人數(shù)的20%，是全世界盲人最多的國(guó)家[6]。

為解決上述問(wèn)題，針對(duì)老年人、上班族和盲人等群體設(shè)計(jì)了一種具有人機(jī)交互功能的智能垃圾分類(lèi)裝置，通過(guò)語(yǔ)音辨識(shí)實(shí)現(xiàn)自主分類(lèi)投放[7]，并具有滿(mǎn)載提醒和紅外殺菌等功能。該智能垃圾分類(lèi)裝置很好地解決了垃圾分類(lèi)的前端問(wèn)題，幫助人們從源頭實(shí)施垃圾分類(lèi)，且生產(chǎn)成本較低，目標(biāo)人群明確，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能垃圾分類(lèi)裝置采用和普通家電相同的220 V交流電源供電，其總體方案設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分。其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)由開(kāi)蓋裝置、云臺(tái)分類(lèi)裝置、壓縮裝置三大部分構(gòu)成，采用六邊形結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)，兼具美觀(guān)和實(shí)用性，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括投放檢測(cè)單元、語(yǔ)音辨識(shí)單元、滿(mǎn)載檢測(cè)單元、人機(jī)交互單元四大部分，選用了超聲波模塊、紅外檢測(cè)模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊和紫外線(xiàn)消毒燈來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

圖1 智能垃圾分類(lèi)裝置三維模型圖

在電源被接通后，除開(kāi)蓋裝置和投放檢測(cè)單元外，其他各單元均為休眠狀態(tài)。當(dāng)垃圾投放人員靠近時(shí)，投放檢測(cè)單元控制開(kāi)蓋裝置打開(kāi)投放口并喚醒其他單元和裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。投放人員將垃圾投入投放口并說(shuō)出垃圾名稱(chēng)，語(yǔ)音辨識(shí)單元識(shí)別成功后，控制云臺(tái)將垃圾投放至對(duì)應(yīng)容器內(nèi)，若識(shí)別不成功則人機(jī)交互單元提醒投放人員重新口述垃圾名稱(chēng)或垃圾種類(lèi)。投放成功后容器對(duì)應(yīng)區(qū)域的綠色指示燈亮3 s，同時(shí)人機(jī)交互單元播報(bào)語(yǔ)音信息提示分類(lèi)結(jié)果。一次投放結(jié)束后，20 s內(nèi)無(wú)二次投放則關(guān)閉投放口，重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。紫外線(xiàn)燈每72 h亮30 min殺菌一次，殺菌過(guò)程中當(dāng)有使用者靠近時(shí)，人機(jī)交互系統(tǒng)播報(bào)語(yǔ)音提醒使用者遠(yuǎn)離，待殺菌結(jié)束后再進(jìn)行投放。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能垃圾分類(lèi)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融入了人性化設(shè)計(jì)理念，桶體采用六邊形作為主體結(jié)構(gòu)，桶體上方設(shè)有唯一投放口，六塊區(qū)域分別為四類(lèi)垃圾存放容器、壓縮過(guò)的易拉罐存放容器和集成控制箱，每個(gè)存放容器均設(shè)置拉環(huán)，可以拉出加裝常用家庭垃圾袋，方便垃圾的移除和垃圾袋的更換。各部分結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置如圖2所示。

圖2 智能垃圾分類(lèi)裝置剖面圖

云臺(tái)分類(lèi)裝置位于容器內(nèi)，是整個(gè)智能垃圾分類(lèi)裝置的核心結(jié)構(gòu)，由收集斗和二軸云臺(tái)組成。二軸云臺(tái)由兩個(gè)數(shù)字舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)自由度分別繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)，如圖3所示?？刂剖占防@Z軸旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)選用270°數(shù)字舵機(jī)，可以保障旋轉(zhuǎn)角度覆蓋四個(gè)普通存放容器和一個(gè)易拉罐存放容器?？刂剖占防@X軸翻轉(zhuǎn)的舵機(jī)選用20 kg大扭矩?cái)?shù)字舵機(jī)，配合金屬擺臂，使收集斗所能承受的垃圾重量達(dá)到最大限度，增強(qiáng)裝置整體的環(huán)境適應(yīng)性。

圖3 云臺(tái)分類(lèi)裝置三維模型圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用基于ATMEGA328P-AU芯片的Arduino NANO作為主控制器，該主控芯片采用了先進(jìn)的RISC體系結(jié)構(gòu)，工作溫度在-40 ℃～85 ℃，可以滿(mǎn)足使用要求。為避免控制系統(tǒng)受到電源電壓波動(dòng)的干擾，該裝置采用了雙電源供電方案，將控制系統(tǒng)電源和驅(qū)動(dòng)裝置電源分開(kāi)，并整流濾波使電壓穩(wěn)定，極大地提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)框圖

3.1 投放檢測(cè)單元

該裝置選用低成本、低功耗的HC-SR04超聲波模塊作為投放檢測(cè)單元的前端傳感器。通過(guò)I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距后，模塊自動(dòng)發(fā)送40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間T，通過(guò)公式d=(T*c)/2計(jì)算出距離，c為聲速，取340 m/s[8]。該模塊測(cè)量精度可達(dá)0.2 cm，測(cè)量距離為2 cm～450 cm，符合設(shè)計(jì)需要。上電后觸發(fā)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到距離容器前方20 cm內(nèi)有人員進(jìn)入時(shí)，喚醒其他單元，投放口打開(kāi)，垃圾箱進(jìn)入工作狀態(tài)，等待投放者投入垃圾和口述垃圾名稱(chēng)。

3.2 語(yǔ)音辨識(shí)單元

語(yǔ)音辨識(shí)單元采用LD3320芯片的語(yǔ)音識(shí)別模塊，該芯片采用“關(guān)鍵詞語(yǔ)列表”（Auto Speech Rec?ognition，ASR）[9]的識(shí)別技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別。芯片能存儲(chǔ)50條關(guān)鍵詞語(yǔ)句，關(guān)鍵詞語(yǔ)長(zhǎng)度最大可達(dá)9個(gè)中文字，每個(gè)中文字用其對(duì)應(yīng)的拼音表示[10]，樣例如表1所示。因此，該裝置語(yǔ)音辨識(shí)單元設(shè)置1個(gè)喚醒詞關(guān)鍵詞、4個(gè)垃圾類(lèi)別關(guān)鍵詞和45個(gè)常用生活垃圾名稱(chēng)關(guān)鍵詞，覆蓋了基本的四類(lèi)垃圾種類(lèi)名稱(chēng)和99%以上的生活垃圾名稱(chēng)。

表1 LD3320寫(xiě)入識(shí)別列表樣例

3.3 滿(mǎn)載檢測(cè)單元

滿(mǎn)載檢測(cè)單元采用對(duì)環(huán)境光線(xiàn)適應(yīng)能力強(qiáng)的紅外傳感器模塊，有效測(cè)量距離為2 cm～30 cm，檢測(cè)角度35°。其具有一對(duì)發(fā)射二極管與接收二極管，發(fā)射二極管發(fā)射出一定頻率的紅外線(xiàn)，經(jīng)過(guò)物體反射后接收二極管接收，經(jīng)過(guò)比較電路處理后通過(guò)信號(hào)輸出口輸出數(shù)字信號(hào)。上電觸發(fā)一次檢測(cè)，當(dāng)桶內(nèi)垃圾數(shù)量超過(guò)該桶的80%時(shí)，達(dá)到設(shè)定高度，傳感器輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)給主控制器，主控制器控制人機(jī)交互系統(tǒng)發(fā)出提示使用者存放桶已滿(mǎn)的聲音信號(hào)和燈光信號(hào)。

3.4 人機(jī)交互單元

人機(jī)交互單元采用LED指示燈顯示和語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)兩種方式給使用者傳遞反饋信息，兼具了低成本和實(shí)用性，讓盲人群體也可以無(wú)障礙使用。正常工作狀態(tài)時(shí)，若滿(mǎn)載檢測(cè)單元檢測(cè)到桶滿(mǎn)，則紅色LED燈亮，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)“X號(hào)桶已滿(mǎn)，請(qǐng)清理”；語(yǔ)音辨識(shí)單元成功識(shí)別垃圾種類(lèi)并由云臺(tái)分類(lèi)裝置成功將其投放后綠色LED燈亮3 s，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)“投放成功”。若語(yǔ)音辨識(shí)單元識(shí)別不成功，立即播報(bào)“請(qǐng)重新說(shuō)出垃圾名稱(chēng)”。進(jìn)入工作狀態(tài)，桶蓋打開(kāi)時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)模塊發(fā)出“桶蓋已開(kāi)，請(qǐng)投放”的語(yǔ)音提示。在殺菌狀態(tài)時(shí)，紅色LED和綠色LED交替閃爍，警示提醒使用者請(qǐng)勿靠近，檢測(cè)到有使用者靠近時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)“正在殺菌，請(qǐng)勿靠近”，防止使用者在殺菌時(shí)因投放垃圾或打開(kāi)箱體被紫外線(xiàn)灼傷。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該智能垃圾分類(lèi)裝置在完成各功能方案設(shè)計(jì)后，按照1∶1比例搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖5所示。搭建完成后進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，重點(diǎn)測(cè)試了識(shí)別投放精準(zhǔn)度。

圖5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖

根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，可以得出如下結(jié)果：

1）該智能垃圾分類(lèi)裝置，在口述垃圾名稱(chēng)后一次成功率可達(dá)到98%，二次識(shí)別成功率達(dá)100%，超出平均水平，可以滿(mǎn)足使用需求。如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

2）實(shí)驗(yàn)樣機(jī)總制作成本為226元，如批量生產(chǎn)，價(jià)格將進(jìn)一步降低，在小型家用電器平均成本以下，僅比市面上普通（無(wú)識(shí)別分類(lèi)功能）的智能垃圾分類(lèi)裝置高出100元，容納量為普通垃圾桶的4倍。如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)成本核算表

5 總結(jié)

綜上所述，該具有人機(jī)交互功能的智能垃圾分類(lèi)裝置有適用人群廣、成本低、操作簡(jiǎn)單、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)極大地考慮到了使用者的用戶(hù)體驗(yàn)，滿(mǎn)足了上班族、老人、盲人等不同用戶(hù)群體的需求，實(shí)現(xiàn)了快速自動(dòng)完成垃圾分類(lèi)和投放，是垃圾分類(lèi)前端收集裝置的一次創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。