基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾回收裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王語(yǔ)琦 楊傲冉 楊梓欣 陸雪 夏羽妍

【摘? 要】 文章基于推廣垃圾分類的政策背景，結(jié)合市場(chǎng)需求，利用技術(shù)支持，自主設(shè)計(jì)、研發(fā)出具有感應(yīng)和圖像采集、垃圾識(shí)別、分類處理、溢滿和語(yǔ)音播報(bào)功能的智能分類垃圾桶。該裝置以樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板為核心，集成太陽(yáng)能電池板、紅外感應(yīng)器、舵機(jī)、托盤、超聲波傳感器和箱體等硬件。各部件之間有所聯(lián)系、相互配合，最大限度地實(shí)現(xiàn)了垃圾處理的便捷化、智能化。

【關(guān)鍵詞】 智能分類垃圾桶；垃圾分類政策；Arduino傳感器；樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板

垃圾分類是當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)話題，目前，我國(guó)有將近三分之二的城市面臨著“垃圾圍城”、垃圾處理投入過(guò)大等問(wèn)題。

2020年，我國(guó)開(kāi)始逐步推廣垃圾分類政策，選出了46個(gè)重點(diǎn)城市開(kāi)展垃圾分類，并要求各地基本建成垃圾分類處理系統(tǒng)。自2019年7月起，上海市政府率先“領(lǐng)跑”，在全國(guó)首先開(kāi)展垃圾分類，并支持垃圾分類的設(shè)施建設(shè)和技術(shù)提升。2021年，全國(guó)300多個(gè)地級(jí)以上城市、5000多個(gè)街道和10萬(wàn)個(gè)以上的社區(qū)，已全面推行了生活垃圾分類制度，市場(chǎng)消費(fèi)規(guī)模達(dá)1.3萬(wàn)億。如果以智能垃圾分類設(shè)備為社區(qū)的切入口，將獲得高頻的使用黏性、垂直用戶和私域流量，市場(chǎng)前景廣闊。

基于以上社會(huì)現(xiàn)狀，本研究設(shè)計(jì)了一款以前端投遞便捷化、中端分類資源化、后端處理高效化和垃圾分類全民化為目標(biāo)，具有感應(yīng)和圖像采集、垃圾識(shí)別、分類處理、溢滿和語(yǔ)音播報(bào)功能的智能分類垃圾桶。該裝置主要面向家庭住戶市場(chǎng)，旨在進(jìn)一步改善居民垃圾分類的困境，提高資源的利用率，共建良性的生態(tài)系統(tǒng)。

一、智能垃圾回收裝置的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能分類垃圾桶包含了硬件和軟件兩大系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板、USB攝像頭、紅外感應(yīng)器、舵機(jī)、托盤、超聲波傳感器和箱體等。垃圾桶的上層為技術(shù)核心部分，負(fù)責(zé)感應(yīng)識(shí)別，與垃圾桶的中層、下層協(xié)調(diào)配合，共同處理垃圾，實(shí)現(xiàn)了垃圾的智能自動(dòng)分類，如圖1所示。

軟件系統(tǒng)分為感應(yīng)和圖像采集系統(tǒng)、垃圾識(shí)別系統(tǒng)、分類處理系統(tǒng)、溢滿和語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)。其中垃圾識(shí)別系統(tǒng)是智能垃圾桶實(shí)現(xiàn)分類功能的核心。當(dāng)USB攝像頭拍攝了垃圾圖像后，會(huì)將圖像信息傳送至Arduino傳感器，Arduino傳感器先對(duì)信息進(jìn)行初步的分析解讀，再將所有的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至樹(shù)莓派管理系統(tǒng)。樹(shù)莓派系統(tǒng)將接收的圖像信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)信息進(jìn)行匹配，再將分類信息發(fā)送至Arduino傳感器，Arduino傳感器帶動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)垃圾分類。

二、智能分類垃圾桶硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能分類垃圾桶的硬件端包括樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板、USB攝像頭、太陽(yáng)能電池板、紅外感應(yīng)器、舵機(jī)、托盤、超聲波傳感器和箱體等。各部件之間的功能都具有依存關(guān)系和主次關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)多功能的配合，并完成指令。如先由攝像頭進(jìn)行拍照，智能垃圾桶進(jìn)行智能識(shí)別后，確定垃圾的種類，再進(jìn)行分類處理，投放垃圾到相應(yīng)的箱體。

（一）上層硬件設(shè)計(jì)

垃圾桶的上層硬件主要有樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板、超聲波傳感器、USB攝像頭、LED燈、太陽(yáng)能電池板、超聲波傳感器和紅外探測(cè)儀等。其中樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板為智能垃圾桶的技術(shù)核心部分，負(fù)責(zé)感應(yīng)識(shí)別，并與垃圾桶的中層、下層協(xié)調(diào)配合，共同處理垃圾，實(shí)現(xiàn)垃圾的智能自動(dòng)分類，如圖2所示。

1. 主控制器

樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板作為主控制器，是硬件設(shè)計(jì)的核心部分，可以在USB攝像頭拍攝圖片后，處理圖像信息。樹(shù)莓派和Arduino傳感器主要通過(guò)串口進(jìn)行通信，首先Arduino傳感器接收由樹(shù)莓派處理、分析的圖像信息結(jié)果；然后樹(shù)莓派將圖像存放在數(shù)據(jù)信息庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)，并將比對(duì)結(jié)果交給Arduino傳感器處理；最后Arduino傳感器給舵機(jī)輸出一個(gè)PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，通過(guò)程序設(shè)定復(fù)位舵機(jī)，由此垃圾的分類流程基本完成。

2. 超聲波傳感器

超聲波傳感器通過(guò)感應(yīng)處理系統(tǒng)判斷垃圾的總量。通過(guò)超聲波感應(yīng)檢測(cè)，超聲波傳感器可以判斷垃圾桶中的垃圾是否為溢滿狀態(tài)。在用戶每次投放垃圾之前，傳感器都能進(jìn)行及時(shí)的判斷，行使檢測(cè)感應(yīng)功能。

3. USB攝像頭

該裝置使用的攝像頭帶有USB接口，具有良好的兼容性，采用了超高清對(duì)焦攝像鏡頭，可360度自由旋轉(zhuǎn)，機(jī)身輕量化、易于旋轉(zhuǎn)，可以及時(shí)地記錄垃圾圖像。

4. 太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池板為多晶硅太陽(yáng)能電池板，轉(zhuǎn)換效率≧20%。智能垃圾桶本身攜帶的太陽(yáng)能電池板提供主要能量，基本無(wú)需用戶再進(jìn)行充電。

（二）中層硬件設(shè)計(jì)

智能垃圾桶的中層硬件包括Arduino傳感器、舵機(jī)模塊和溢滿提示模塊。

1. Arduino傳感器

Arduino傳感器負(fù)責(zé)接收樹(shù)莓派系統(tǒng)反饋的圖像信息，控制舵機(jī)的運(yùn)行，以此指派垃圾投入對(duì)應(yīng)的箱體中。Arduino傳感器是實(shí)現(xiàn)垃圾分類的關(guān)鍵部分，連接著決策端的樹(shù)莓派和執(zhí)行端的舵機(jī)箱體。

2. 舵機(jī)模塊

舵機(jī)模塊包括舵機(jī)和托盤，主要使用兩個(gè)舵機(jī)控制托盤的左右和上下移動(dòng)：通過(guò)左右移動(dòng)，將垃圾運(yùn)載到相應(yīng)的箱體上方；通過(guò)上下移動(dòng)傾倒垃圾，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、精準(zhǔn)地投放垃圾。舵機(jī)在工作的過(guò)程中，主要負(fù)責(zé)托盤的移動(dòng)和開(kāi)合。

3. 溢滿提示模塊

溢滿提示模塊包括超聲波傳感器、LED燈和揚(yáng)聲器。超聲波傳感器內(nèi)置于托盤底部，用于判斷桶內(nèi)的垃圾是否溢滿。當(dāng)托盤每次左右移動(dòng)時(shí)，超聲波傳感器會(huì)向箱體的內(nèi)部發(fā)出聲波，以判斷該箱體的狀態(tài)，如滿、空或半滿。當(dāng)超聲波傳感器監(jiān)測(cè)到垃圾溢滿時(shí)，會(huì)激發(fā)溢滿警報(bào)，此時(shí)LED燈亮起紅色，揚(yáng)聲器發(fā)出語(yǔ)音播報(bào)。

（三）下層硬件設(shè)計(jì)

智能垃圾桶的下層硬件包括4個(gè)箱體，分別為有害垃圾箱體、可回收垃圾箱體、干垃圾箱體和濕垃圾箱體。

三、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在該智能垃圾裝置的軟件系統(tǒng)方面，設(shè)計(jì)集成了下述系統(tǒng)：

（一）感應(yīng)和圖像采集系統(tǒng)

感應(yīng)和圖像采集系統(tǒng)的運(yùn)作流程設(shè)計(jì)：先建立垃圾圖片信息庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分類，再將數(shù)據(jù)上傳到智能垃圾桶的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度計(jì)算和分析，形成數(shù)據(jù)文件和垃圾分類圖像模型文件。當(dāng)用戶靠近垃圾桶時(shí)，紅外感應(yīng)器將感應(yīng)到人體發(fā)射的紅外線，并向Arduino傳感器發(fā)出信號(hào)，Arduino傳感器做出響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)感應(yīng)門，垃圾桶蓋打開(kāi)，用戶投放垃圾。同時(shí)智能垃圾桶設(shè)置有自動(dòng)感應(yīng)開(kāi)關(guān)、手動(dòng)、腳踏的開(kāi)蓋功能，確保這三種方式都能打開(kāi)垃圾桶的上蓋。當(dāng)垃圾進(jìn)入拍照區(qū)時(shí)，感應(yīng)和圖像采集系統(tǒng)將啟動(dòng)自由旋轉(zhuǎn)的USB攝像頭拍攝垃圾圖像，將采集的圖像處理、量化為數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送到垃圾識(shí)別系統(tǒng)。感應(yīng)和圖像采集系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖3所示。

（二）垃圾識(shí)別系統(tǒng)

垃圾識(shí)別系統(tǒng)是智能垃圾桶實(shí)現(xiàn)分類功能的核心。USB攝像頭在拍攝了垃圾圖像后，將圖像信息傳送至Arduino傳感器，Arduino傳感器先對(duì)信息進(jìn)行初步的分析解讀，再將所有數(shù)據(jù)的信息發(fā)送至樹(shù)莓派管理系統(tǒng)。樹(shù)莓派將接收的圖像信息與數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)信息進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)垃圾鑒別。如果垃圾不能被正確標(biāo)識(shí)出，智能垃圾桶系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告聲音，表明無(wú)法標(biāo)識(shí)，并要求人工重新設(shè)置該垃圾的類別，一旦分析出正確的垃圾類別，即可啟用分類處理系統(tǒng)。垃圾識(shí)別流程如圖4所示。

（三）分類處理系統(tǒng)

分類處理系統(tǒng)由箱體、樹(shù)莓派、舵機(jī)和隔板等組成。為了提高垃圾信息識(shí)別的準(zhǔn)確率和效率，本研究還在箱體內(nèi)安裝了LED燈帶，用于改善箱體內(nèi)的照明情況，便于使用者在陰暗環(huán)境或夜間場(chǎng)所快速識(shí)別出該垃圾桶，燈帶也可以作為光源外附在垃圾桶上進(jìn)行廣告宣傳。分類處理系統(tǒng)識(shí)別了垃圾信息后，由智能垃圾桶對(duì)Arduino開(kāi)發(fā)板發(fā)出相關(guān)指令，打開(kāi)對(duì)應(yīng)的垃圾艙門，并控制舵機(jī)將垃圾放入對(duì)應(yīng)的垃圾桶，由此實(shí)現(xiàn)垃圾的自動(dòng)分類。

（四）溢滿和語(yǔ)言播報(bào)系統(tǒng)

溢滿和語(yǔ)言播報(bào)系統(tǒng)通過(guò)位于托盤下方的超聲波傳感器來(lái)確定箱體是否溢滿，在每次投放垃圾前，相應(yīng)的傳感器都會(huì)提前檢測(cè)箱體的狀態(tài)，如果溢滿，該系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，提示用戶無(wú)法投放垃圾，必須先傾倒垃圾桶。該語(yǔ)音播報(bào)功能由電子自動(dòng)發(fā)聲讀音器實(shí)現(xiàn)，讀音器的放大電路采用了運(yùn)算放大集成模塊，可以保證其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、音色清晰，便于為用戶提供精準(zhǔn)、清晰的結(jié)果。

四、結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的智能分類垃圾桶彌補(bǔ)了市場(chǎng)的空缺，滿足了不同用戶的需求。該裝置預(yù)想的受眾主要以家庭為單位，屬于小型分類垃圾桶，普及了垃圾分類，增強(qiáng)了用戶的環(huán)保意識(shí)，解決了因標(biāo)準(zhǔn)繁多造成的垃圾分類困難。鑒于各個(gè)地區(qū)的垃圾分類方式和標(biāo)準(zhǔn)有所不同，該產(chǎn)品將客戶群體按地區(qū)進(jìn)行分類，并提供相應(yīng)的地區(qū)垃圾分類服務(wù)。

該裝置以太陽(yáng)能板為電力來(lái)源，減少了電力負(fù)擔(dān)，更環(huán)保節(jié)約，契合了綠色發(fā)展的理念。考慮到天氣情況等綜合因素，智能分類垃圾桶將自動(dòng)充滿電量，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定的工作，確保續(xù)航持久，減少了電力不足的情況。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 袁海洋，祁悅，祁雯. 社區(qū)“互聯(lián)網(wǎng)+垃圾分類”服務(wù)設(shè)計(jì)研究［J］. 價(jià)值工程，2022，41（24）：19-21.

［2］ 段志杰. 智能分類垃圾箱及實(shí)現(xiàn)分析［J］. 智能城市，2018，4（11）：37-38.

［3］ 趙婉旭，孫悅美，史耀軍. 智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)［J］. 工業(yè)設(shè)計(jì)，2022（07）：62-64.

［4］ 段昆昕，江秋儀，陳鋒楠，等. 基于樹(shù)莓派下智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)［J］. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2022（01）：37-39.

［5］ 胡耀，王棟，馬龍，等. 基于圖像處理的智能分類垃圾桶的設(shè)計(jì)［J］. 電子測(cè)試，2022，36（20）：23-25.

［6］ 叢笑，曾慶祎，韋穎. 智能分類垃圾處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 無(wú)線互聯(lián)科技，2022，19（09）：65-67.

［7］ 王曙光，姜鶴明，張珊珊，等. 城市智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)分析與研究［J］. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022，12（02）：76-78.

［8］ 孫寶潔，劉偉，魏惠芳，等. 智能“叫醒”分類垃圾桶［J］. 電子世界，2021（24）：84-87.