無接觸式智能打包垃圾桶設(shè)計(jì)

李世龍，姚 嘉，廖一波，梁榮智，覃維倫

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541000）

0 引言

隨著人們對美好生活的要求日益增加，普通的公共垃圾箱已經(jīng)不能滿足對健康與清潔的要求?？v觀國內(nèi)外，家用室內(nèi)垃圾箱已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了智能化，比如感應(yīng)開蓋、觸摸開蓋、踩踏開蓋等?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展使智能家居逐漸不再遙遠(yuǎn)，各種家用電器包括垃圾箱在內(nèi)的設(shè)施逐漸演化成為一體化控制。

但是公共垃圾設(shè)施卻依舊是最古老的形式，在城市的形象中，它們總會被人們貼上“臟亂差”的標(biāo)簽。室外公共垃圾桶設(shè)計(jì)并沒有向智能化發(fā)展的趨勢，且室外的環(huán)境較為惡劣，電力的供應(yīng)也是一大問題。上述種種原因?qū)е铝酥悄芑盁o法在室外的公共區(qū)域投放及使用。對此，需研究開發(fā)一種新型的智能化公共垃圾箱，將醫(yī)院、小區(qū)、高鐵站、地鐵站、學(xué)校等人口密度高、人流量大的地區(qū)設(shè)為目標(biāo)場景，實(shí)現(xiàn)垃圾的無接觸式投放，垃圾袋自動(dòng)打包與智能化的分類管理。

設(shè)計(jì)與現(xiàn)有產(chǎn)品比較優(yōu)勢如下：（1）本產(chǎn)品不需要購買一次性垃圾袋適配盒，只需特定的長筒型壓縮垃圾袋即可；（2）本產(chǎn)品的自動(dòng)打包功能可實(shí)現(xiàn)循環(huán)工作，當(dāng)垃圾袋用盡后只需對垃圾袋進(jìn)行更換；（3）太陽能儲能機(jī)構(gòu)保證產(chǎn)品戶外使用的能源供給；（4）模塊化設(shè)計(jì)便于后期的拆卸及維修。

1 垃圾箱整體布局

垃圾箱的總體結(jié)構(gòu)包括總箱體（內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)）、垃圾袋盒、液晶顯示屏、太陽能供電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠熱封裝置、機(jī)械手、舵機(jī)、聲控芯片與人體熱感應(yīng)裝置等。另外也可以包括一些其他的公共設(shè)施組件：照明燈，酒精噴霧消毒器，紫外線殺菌處理裝置等?？刂茩C(jī)構(gòu)將Arduino Mega2560和Arduino Uno作為主控芯片，在保證穩(wěn)定控制的前提下降低主控板的使用成本與消耗成本，使各個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)作用，完成各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制。圖1為垃圾桶整體結(jié)構(gòu)示意圖。

本設(shè)計(jì)的基本工作原理：聲控機(jī)構(gòu)與人體熱感應(yīng)機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)無接觸自動(dòng)開蓋并有效防止誤開蓋操作；電機(jī)控制頂部絲杠的旋轉(zhuǎn)從而使帶有熱封條的長桿互相靠近，實(shí)現(xiàn)對垃圾袋口的擠壓與熔化，完成垃圾袋裝滿后的熱封打包；箱體設(shè)置為內(nèi)外層兩層結(jié)構(gòu)使內(nèi)層箱體可以導(dǎo)出方便垃圾袋的移除；電機(jī)控制內(nèi)層箱體內(nèi)部的絲杠旋轉(zhuǎn)使機(jī)械手縱向移動(dòng)，機(jī)械手內(nèi)部舵機(jī)使其實(shí)現(xiàn)夾取動(dòng)作，以上兩部分的配合完成垃圾袋的拖拽。

圖1 垃圾桶整體圖

2 具體功能實(shí)現(xiàn)方案

2.1 自動(dòng)開蓋功能

為了實(shí)現(xiàn)垃圾箱的全程無接觸，產(chǎn)品采用語音識別芯片LD3320和非特定語音識別算法對于控制語音命令進(jìn)行識別，實(shí)現(xiàn)對于垃圾桶的智能化語音識別控制，完成遠(yuǎn)距離非接觸式智能開閉和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的功能[1]?？紤]到一些特殊公共環(huán)境的嘈雜程度較高，采用HC-SR501人體熱感應(yīng)裝置作為無接觸開蓋的備選方案，此熱感應(yīng)模塊通過主控芯片無接觸控制箱體頂蓋的開合與內(nèi)層箱體的導(dǎo)出，當(dāng)語音模組無法正確識別時(shí)便采取熱感應(yīng)的備選方案以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開蓋。自動(dòng)開蓋機(jī)構(gòu)如圖2。

圖2 自動(dòng)開蓋機(jī)構(gòu)圖

2.2 自動(dòng)打包功能

現(xiàn)有的家庭智能垃圾桶的垃圾袋需要一個(gè)適配盒，每個(gè)適配盒只能裝大約四十到六十個(gè)垃圾袋，適配盒屬于一次性用品。針對此問題，設(shè)計(jì)出可以循環(huán)使用的適配盒，盒底采用半開放的彈簧結(jié)構(gòu)，工作中利用機(jī)械手絲杠的配合機(jī)構(gòu)將其拉至內(nèi)部箱體底部，內(nèi)層箱體頂部的絲杠熱封機(jī)構(gòu)將拉伸的垃圾袋熔斷并封口，之后再由機(jī)械手將其拉至底部，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的多次循環(huán)，垃圾袋拖拽機(jī)構(gòu)如圖3。

圖3 垃圾袋拖拽機(jī)構(gòu)圖

3 控制功能實(shí)現(xiàn)方案

3.1 語音模塊控制

產(chǎn)品設(shè)置語音模塊控制垃圾桶的開關(guān)，主控芯片與LD3320實(shí)現(xiàn)通訊，在程序中運(yùn)用二級語音詞條，保證工作期間不受外界雜音的干擾，當(dāng)用戶向語音識別模塊發(fā)出一級指令時(shí)，該模塊會被喚醒，并等待接收用戶發(fā)出的二級指令即垃圾名稱。當(dāng)接收到二級指令后，會把信息通過串口通信發(fā)送給單片機(jī)[2]。設(shè)定的開啟時(shí)間定為五秒確保正常的垃圾投擲。在程序運(yùn)行中屏幕會顯示提示信息。具體流程如圖4。

圖4 語音功能流程圖

3.2 自動(dòng)打包控制

自動(dòng)打包控制子系統(tǒng)中，繼電器觸點(diǎn)的開閉決定電熱絲電源、電熱絲、繼電器所組成回路的開閉，進(jìn)而控制電熱絲是否加熱[3]。自動(dòng)打包具體流程圖如圖5。封口所用電熱絲的材質(zhì)為鎳鉻合金電熱絲。

圖5 自動(dòng)打包流程圖

4 控制功能調(diào)試及實(shí)驗(yàn)

4.1 語音識別功能

根據(jù)所使用的LD3320模塊具有的功能進(jìn)行詞條穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)，在代碼中分別設(shè)置一級詞條，二級詞條與三級詞條，依次燒錄進(jìn)單片機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析三者的優(yōu)劣，選擇最優(yōu)方案。

一級詞條：單片機(jī)只需識別單個(gè)詞條便可做出響應(yīng)，速度快，但在復(fù)雜的環(huán)境下容易出現(xiàn)某個(gè)相似的名詞使單片機(jī)誤判。

二級詞條：單片機(jī)識別第一個(gè)名詞后給出響應(yīng)但不工作，再次識別第二個(gè)名詞后單片機(jī)接受信號開始工作，穩(wěn)定性相比于一級詞條大幅度提高，但操作較為復(fù)雜，工作反應(yīng)時(shí)間較長。

三級詞條：需要依次說出三個(gè)名詞并且單片機(jī)都成功識別后才可工作，穩(wěn)定性在三者中最高，不易出錯(cuò)，但反應(yīng)時(shí)間長，效率極低，操作復(fù)雜，不方便使用。

結(jié)論：選擇第二個(gè)方案作為垃圾桶語音識別的控制代碼。在較為便捷的使用過程中保證了一定的穩(wěn)定性。

4.2 溫度感應(yīng)功能

溫度感應(yīng)裝置的靈敏度是影響溫度感應(yīng)功能的主要因素，設(shè)置的靈敏度過高會使裝置在檢測到遠(yuǎn)距離人體信號時(shí)做出響應(yīng)，而過低則會使其無法做出響應(yīng)。因此需要調(diào)節(jié)合適的靈敏度使響應(yīng)距離保持在30 cm左右。五個(gè)靈敏度梯度用數(shù)字表示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 溫度靈敏度實(shí)驗(yàn)表

4.3 絲杠轉(zhuǎn)速對垃圾袋口壓縮程度的影響

全速：無法完成壓縮工作，垃圾袋口易脫落。

半速：壓縮很快但實(shí)驗(yàn)中有百分之七十的概率會使垃圾袋口脫落。

1/4速：壓縮比較穩(wěn)定，效率高。實(shí)驗(yàn)中沒有出現(xiàn)垃圾袋口脫落的情況但速度較慢。

1/8速：壓縮效果最為穩(wěn)定但壓縮極慢，效率低。

結(jié)論：1/8速的效果最好，但是在實(shí)際應(yīng)用中等待時(shí)間太長，效率低，不與采用；1/4速相比于1/8速的壓縮效果較差，但也可以滿足實(shí)際使用的需求，且等待時(shí)間短，比較符合預(yù)期，故采用。

5 結(jié)論

無接觸式智能垃圾桶的設(shè)計(jì)符合國家公共衛(wèi)生建設(shè)方向，適用于大多數(shù)室外環(huán)境，無接觸式設(shè)計(jì)可以有效減少細(xì)菌病毒的傳播。采用模塊化的方式進(jìn)行功能部件的設(shè)計(jì)，便于產(chǎn)品組裝與后期的拆卸與維修。主控芯片的穩(wěn)定信號傳輸保證了各個(gè)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合，共同完成一系列復(fù)雜的任務(wù)。產(chǎn)品的應(yīng)用前景好，可以提高城市公共場所的容貌，為城市清潔帶來便利。