智能殺菌分類垃圾桶的設(shè)計與實現(xiàn)

馮壽崗，劉婭楠，李圣君

（曲阜師范大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，山東日照，276826）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，垃圾處理已成為全球性的問題。當(dāng)前城市垃圾桶周圍經(jīng)常出現(xiàn)垃圾溢出的現(xiàn)象，環(huán)境中的病毒有充分的時間和條件通過垃圾進(jìn)行傳播，給病毒的傳播留下了隱患。特別是近年來新型冠狀病毒的出現(xiàn)，給人們的生活帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)前對垃圾桶主要進(jìn)行人工消毒，只是對垃圾本身進(jìn)行處理，并沒有實質(zhì)性的切斷傳播路徑，而且人工消毒工作消耗巨大的人力物力。另外，人們普遍缺乏垃圾分類的意識和常識，無法將各類垃圾獨立分類，這給病毒的滋生與傳播也創(chuàng)造了有利條件[1]。

基于目前現(xiàn)狀及需求，設(shè)計出一款具有殺菌消毒功能的語音分類垃圾桶[2]。該設(shè)計基于智能化紅外感應(yīng)裝置、超聲波控制系統(tǒng)以及無線通信系統(tǒng)，在實現(xiàn)系統(tǒng)自動開關(guān)蓋、垃圾數(shù)量檢測、語音垃圾分類和人臉識別上報管理等功能基礎(chǔ)上，垃圾桶裝有消毒噴霧裝置和紫外線殺菌燈，桶內(nèi)可通過紫外線對垃圾進(jìn)行殺菌消毒，桶外可通過噴霧對投放者手部進(jìn)行殺菌消毒，有效防止了病毒通過垃圾進(jìn)行傳播，有利于營造出良好的生活環(huán)境。

1 產(chǎn)品功能與原理

此設(shè)計利用特殊箱體結(jié)構(gòu)并組合多種模塊使垃圾桶變得更加智能化，控制模塊采用STM32主板作為系統(tǒng)的核心板，通信模塊采用ESP8266模塊用于系統(tǒng)的信息上報，如圖1所示。本系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能包括：手部殺菌消毒、桶內(nèi)凈化除味、垃圾數(shù)量檢測、人臉識別數(shù)據(jù)統(tǒng)計、語音識別垃圾分類[3]等。

圖1 功能實現(xiàn)

當(dāng)感應(yīng)裝置檢測到用戶靠近垃圾桶時，將向單片機(jī)發(fā)送信號，驅(qū)動電機(jī)完成開蓋動作，同時人臉識別模塊將進(jìn)行識別并上報數(shù)據(jù)。當(dāng)垃圾桶蓋開啟時，啟動語音識別模塊，用戶根據(jù)提示說出語音。語音模塊將進(jìn)行信息匹配，根據(jù)匹配結(jié)果，垃圾桶將旋轉(zhuǎn)相應(yīng)隔板完成垃圾分類。當(dāng)用戶將垃圾投入桶內(nèi)后，垃圾桶蓋上的噴霧頭將向投擲垃圾區(qū)域處噴灑消毒液，對用戶手部進(jìn)行殺菌消毒，桶內(nèi)紫外線殺菌裝置將定時對垃圾殺菌，從而有效地減少了病毒通過垃圾進(jìn)行傳播。

1.1 自動開蓋與垃圾分類動力模塊

垃圾桶自動開蓋功能將采用光電感應(yīng)模塊進(jìn)行檢測，光電傳感器在有效范圍內(nèi)檢測有無物體，然后將信息傳給單片機(jī)并向舵機(jī)發(fā)出電信號。垃圾分類則通過語音模塊識別語音，然后驅(qū)動相應(yīng)隔板的舵機(jī)完成分類功能。

光電傳感器是發(fā)射與接收集一體化的傳感器，工作原理是由發(fā)射光通過調(diào)制后發(fā)出，然后接收頭對反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，最后決定桶蓋是否打開[4]。舵機(jī)為開蓋和垃圾分類提供動力，并由可以改變寬度的脈沖控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過不斷調(diào)試，調(diào)試出合適的開蓋角度以及分類隔板旋轉(zhuǎn)角度。

1.2 垃圾數(shù)量檢測模塊

垃圾數(shù)量檢測利用超聲波傳感器和壓力傳感器結(jié)合進(jìn)行檢測。

超聲波傳感器由發(fā)射頭和接收頭組成，根據(jù)聲波接收與發(fā)射的時間差進(jìn)行距離計算，從而得到垃圾高度。壓力傳感器采用電阻應(yīng)變片式稱重傳感器，將傳感器安裝于垃圾桶底部。當(dāng)垃圾受重力使傳感器發(fā)生形變時，傳感器將產(chǎn)生電信號，電信號經(jīng)過放大轉(zhuǎn)化變?yōu)閿?shù)字信號。將垃圾高度與重量結(jié)合分析，有效避免了垃圾過輕或過重導(dǎo)致檢測不準(zhǔn)確的情況出現(xiàn)。

1.3 消毒除味模塊

垃圾桶內(nèi)部安裝氣敏傳感器和紫外線殺菌燈，分別用于對桶內(nèi)異味的檢測和對桶內(nèi)垃圾的殺菌消毒。氣敏傳感器的原理為，傳感器中的半導(dǎo)體可吸收空氣中的氧氣，從而使半導(dǎo)體電阻增大；當(dāng)空氣中的氨氣和其他氣體含量升高時，將分解半導(dǎo)體中吸附的氧氣，從而使電阻減小。根據(jù)電阻的變化向主板發(fā)送信號，達(dá)到對垃圾桶內(nèi)部氣味的檢測。

垃圾桶采用水泵將消毒液運輸至噴頭，噴頭對投放者手部進(jìn)行消毒，并對桶內(nèi)進(jìn)行除味。消毒噴灑水泵將采用微型隔膜泵，該水泵體積小，便于放置，節(jié)約空間，噪音較小，可以帶來良好的使用體驗。

1.4 語音識別分類模塊

語音識別垃圾分類采用基于ASR技術(shù)的語音控制芯片LD3320進(jìn)行語音識別，將該芯片接口與STM32單片機(jī)相連，并將單片機(jī)與L298N模塊連接用于驅(qū)動舵機(jī)完成分類功能，如圖2所示。將設(shè)定好的關(guān)鍵詞傳送到語音模塊中，無需在單片機(jī)中調(diào)用語音包，大大降低了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)?；贚D3320不需要外接輔助的RAM、Flash和AD，可以獨立完成語音識別。

圖2 語音模塊工作系統(tǒng)圖

2 功能實現(xiàn)

2.1 垃圾數(shù)量檢測與自動感應(yīng)開蓋

垃圾數(shù)量檢測功能：當(dāng)垃圾數(shù)量達(dá)到壓力傳感上報限度時，開啟垃圾桶上方的超聲波模塊檢測，若同時達(dá)到兩個模塊的限度才能進(jìn)行上報，解決了垃圾過重或過輕導(dǎo)致錯誤上報的問題。通過模塊間相互配合上報，解決了社會上垃圾堆滿垃圾桶，甚至溢出到垃圾桶外的現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3

自動開蓋功能：當(dāng)光電傳感器檢測到有人靠近并小于設(shè)定距離時，將驅(qū)動舵機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行開蓋。此過程中光電傳感器持續(xù)檢測，當(dāng)檢測到有人離開并大于設(shè)置距離時，則將驅(qū)動舵機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行桶蓋關(guān)閉，若持續(xù)小于設(shè)置距離則垃圾桶保持開蓋狀態(tài)，如圖4所示。

圖4

2.2 殺菌除味功能

垃圾桶內(nèi)使用紫外線殺菌燈進(jìn)行桶內(nèi)殺菌，將紫外線殺菌燈安裝在垃圾桶內(nèi)分區(qū)上方。殺菌燈連續(xù)照射20分鐘左右即可達(dá)到良好的殺菌效果。殺菌燈根據(jù)投放數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用定時開關(guān)，若在垃圾投放高峰期將縮短照射的時間間隔，若在垃圾投放數(shù)量較少的時間段將增大照射的時間間隔，有效減少了電量的消耗。通過紫外線照射微生物，它們細(xì)胞的一些DNA和RNA吸收紫外線并產(chǎn)生光化學(xué)效果，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部件，尤其是核酸原生質(zhì)蛋白和酯產(chǎn)生化學(xué)變化，以使細(xì)胞質(zhì)變性。

垃圾桶外使用消毒噴霧對投放者手部進(jìn)行消毒，將消毒噴頭安裝在垃圾桶蓋內(nèi)側(cè)，如圖5所示。在開蓋時用于對手部的殺菌，結(jié)合開蓋角度與噴灑角度設(shè)計出合適噴灑范圍。首先垃圾桶蓋打開，人們將垃圾放入垃圾桶，此時噴霧將對手部進(jìn)行殺菌消毒，良好地隔絕了垃圾與手部的病毒傳播。

圖5

垃圾桶內(nèi)使用氣敏傳感器進(jìn)行空氣檢測，經(jīng)過不斷地測試找出合適數(shù)值，如圖6所示。當(dāng)檢測數(shù)值超過一定數(shù)值時，氣味傳感器將向單片機(jī)發(fā)送信號，驅(qū)動水泵向桶內(nèi)釋放除臭劑。此時垃圾桶蓋恰好成閉合狀態(tài)，噴霧頭朝向桶內(nèi)，與消毒噴霧使用同一個噴霧頭提高了器件利用率，徹底地解決了垃圾桶附近的異味問題。

圖6

2.3 語音識別垃圾分類功能

垃圾分類功能基于語音識別進(jìn)行實現(xiàn)，將LD3320模塊設(shè)置為觸發(fā)識別模式。當(dāng)光電傳感器檢測到人靠近開啟垃圾桶蓋時，開始啟動語音識別模塊，有效地降低了能耗。投放垃圾時，系統(tǒng)將播放宣傳保護(hù)環(huán)境的信息，對垃圾分類和環(huán)境保護(hù)進(jìn)行科普介紹，并且提示使用者根據(jù)垃圾情況向垃圾桶說出“可回收垃圾”、“有害垃圾”、“廚余垃圾”和“其他垃圾”等。語音識別模塊將識別出使用者說出的關(guān)鍵詞，進(jìn)行下一步的分析并進(jìn)行匹配。根據(jù)匹配結(jié)果，驅(qū)動相關(guān)隔板舵機(jī)旋轉(zhuǎn)完成分類操作，垃圾桶將該垃圾投放至所屬垃圾桶內(nèi)[5]。識別流程如圖7所示。

圖7

垃圾桶采用一桶四區(qū)的設(shè)計，將一個箱體分成四個區(qū)域，分別為可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾，垃圾桶內(nèi)部運用巧妙的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行垃圾分類，如圖8所示。垃圾桶上方采用V字形擋板，使用舵機(jī)為動力進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按照垃圾所屬種類使垃圾落入第二層垃圾分類擋板，最終第二層垃圾分類板旋轉(zhuǎn)將垃圾正確入桶。

圖8

當(dāng)垃圾為“可回收垃圾”時，V字形擋板左側(cè)向下旋轉(zhuǎn)90°并停留兩秒后旋轉(zhuǎn)回到初始位置，第二層分類擋板在V字形擋板旋轉(zhuǎn)回到初始位置時逆時針旋轉(zhuǎn)90°，兩秒后恢復(fù)初始位置；

當(dāng)垃圾為“有害垃圾”時，V字形擋板左側(cè)向下旋轉(zhuǎn)90°并停留兩秒后旋轉(zhuǎn)回到初始位置，第二層分類擋板在V字形擋板旋轉(zhuǎn)回到初始位置時順時針旋轉(zhuǎn)90°，兩秒后恢復(fù)初始位置；

當(dāng)垃圾為“廚余垃圾”時，V字形擋板右側(cè)向下旋轉(zhuǎn)90°并停留兩秒后旋轉(zhuǎn)回到初始位置，第二層分類擋板在V字形擋板旋轉(zhuǎn)回到初始位置時逆時針旋轉(zhuǎn)90°，兩秒后恢復(fù)初始位置；

當(dāng)垃圾為“其他垃圾”時，V字形擋板右側(cè)向下旋轉(zhuǎn)90°并停留兩秒后旋轉(zhuǎn)回到初始位置，第二層分類擋板在V字形擋板旋轉(zhuǎn)回到初始位置時順時針旋轉(zhuǎn)90°，兩秒后恢復(fù)初始位置。垃圾分類如圖9所示。

圖9

2.4 人臉識別功能

人臉識別功能首先需要在該使用社區(qū)收集一個小型數(shù)據(jù)庫。用戶可以在首次使用時通過系統(tǒng)的攝像頭采集自己的人臉特征數(shù)據(jù)。攝像頭捕捉用戶面部的多個特征，并將其存儲在人臉識別數(shù)據(jù)庫中。人臉特征數(shù)據(jù)采集完成后，通過調(diào)用百度人臉識別API，利用FaceDataset提供的人臉識別庫，結(jié)合OpenCV開源計算機(jī)視覺庫，對系統(tǒng)的人臉識別數(shù)據(jù)庫進(jìn)行識別[6]。工作流程如圖10所示。

圖10

2.5 網(wǎng)上服務(wù)功能

服務(wù)網(wǎng)頁設(shè)計以綠色為主色，如圖11所示，符合綠色生態(tài)和環(huán)保[7]。

圖11

利用表單將用戶數(shù)據(jù)從瀏覽器傳遞到Web服務(wù)器，并建立登錄界面，用于對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢。ASP程序在服務(wù)器端工作，通過服務(wù)器端編譯動態(tài)發(fā)送HTML文件，與服務(wù)器上的運行程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[8]。

通過每次居民投擲垃圾后的后臺數(shù)據(jù)庫記錄，監(jiān)督居民的垃圾分類情況，并每月生成垃圾分類報告。管理員通過報告實施獎懲制度，大大提高了垃圾分類效率，也培養(yǎng)了人們的垃圾分類好習(xí)慣。

3 結(jié)論

本設(shè)計通過將各種傳感器應(yīng)用在垃圾桶上實現(xiàn)殺菌消毒、語音分類等功能，可以通過傳感器反饋數(shù)據(jù)及時對桶內(nèi)進(jìn)行殺菌除味，在用戶投放垃圾后可對用戶手部噴灑消毒液，從而有效切斷病毒的傳播途徑。結(jié)合垃圾桶的垃圾分類功能，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行獎懲，大大提高了垃圾分類效率，提高了人們的環(huán)境保護(hù)意識，可以為常態(tài)化疫情防控、營造健康環(huán)境做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

在實際應(yīng)用過程中，該垃圾桶仍存在空氣檢測易受環(huán)境干擾，準(zhǔn)確率不夠穩(wěn)定的問題，未來仍須進(jìn)一步優(yōu)化。此外，還可以構(gòu)建智能垃圾桶數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，分析垃圾在不同位置的擺放情況下的數(shù)據(jù)，為垃圾分類提供更加智能化的服務(wù)。