基于拉曼光谱识别技术的创新型智能识别垃圾桶设计

刘雅璇 张扬 许璐璐 赵磊磊

（山东女子学院，山东济南 250300）

基于拉曼光谱识别技术的创新型智能识别垃圾桶设计

刘雅璇 张扬 许璐璐 赵磊磊

（山东女子学院，山东济南 250300）

随着人工智能技术的发展，基于芯片编程的各类智能机器人被越来越广泛地应用于医学、娱乐、环保等领域。而因当下资源有限，环境问题不容乐观，垃圾分类迫在眉睫，便利用拉曼光谱和芯片编程技术来开发智能垃圾桶。其利用每种物质的非弹性散射的散射光各不相同的原理，通过拉曼光谱仪对垃圾进行照射，由此判断垃圾的材质，然后通过垃圾桶内“机械板”的移动，将垃圾投入不同的固定区域，以此实现垃圾的识别与分类，节省资源，实现有用物品的回收再利用。

智能垃圾桶；拉曼光谱；散射；分类；识别

如今，不论是商业繁华的街头，还是居民区的路口，各种造型的垃圾桶随处可见。大部分垃圾桶都有“可回收”与“不可回收”的区分，但人们通常随手一扔，没有真正实现垃圾的分类和回收。笔者运用拉曼光谱技术，通过光束对物质进行照射，设定不同物质散射光范围，根据其散射光确定物质分类，可回收垃圾中相应同类物品通过机械板的位移，投至相应区域。垃圾分类是保护环境、厉行节约的一个重要方式，通过垃圾桶对垃圾的智能分类，有效缓解了当前的垃圾分类问题。而智能识别垃圾桶的开发基于拉曼光谱及编程的应用，具体开发思路和流程如图1所示。

1 内部作用机制

1.1 拉曼原理介绍

拉曼光谱分析技术由于具有激发光源选择自由度大、检测范围广等优点，被科研人员重视，在各个领域如食品安全、制药、环境监测等得到了广泛的应用［1］。光束照射到物质上会发生2种散射，即弹性散射与非弹性散射。其中，弹性散射的散射光与激发光波长相同，非弹性散射的散射光（即拉曼光谱）与激发光波长相比，有的比激发波长长，有的比激发光波长短。每一种物质都有自己的特征，利用光束照射垃圾方可判断出其物质种类，继而通过智能垃圾桶的机械板的位移对垃圾进行物质分类。拉曼光谱类似于人的指纹，利用拉曼谱线的频率、强度和偏振度的不同，可以研究物质的结构和性质［2］。

图1 智能识别垃圾桶的开发思路及流程

1.2 拉曼光谱的利用

因塑料水瓶、A4纸、铁的回收利用率较高，所以笔者先对这几类物质进行分类回收，将垃圾桶内分为4个区域，分别为塑料水瓶、A4纸、铁及其他类。通过拉曼光谱实现垃圾分类，第一步得出具体各类物质的散射光范围，理论上可以利用拉曼光谱仪测量大量各类塑料水瓶、A4纸、铁的非弹性散射的散射光，通过多次试验得出每类物品的大概散射光范围，设塑料水瓶物品散射光范围为a～b，纸张物品散射光范围为c～d，铁物品散射光范围为e～f，除此之外的散射光范围归为其他类。为实现智能垃圾桶能对所投入物质做出自主的判断分析，第二步将不同物质的散射光范围编制到程序芯片中。为判断出投入口处物质的种类，第三步在垃圾桶内设一简易拉曼光谱仪，投放物质至垃圾入口处，使一束频率为v0的单色光照射到样品上，光线发生散射，拉曼散射光约占总散射光强度的10-10～10-6。当所测垃圾散射光在范围a～b内，则其为塑料水瓶，根据所编程序，机械板将塑料水瓶水平位移至其对应区域，机械板向两边打开，塑料水瓶掉入区域内；同理，所测垃圾散射光分别在c～d、e～f范围内时，对应掉入相应区域，散射光不在这些范围内的垃圾，都掉入其他区域中。这样理论上便可实现最基础的垃圾分类［3］。

1.3 机械板工作原理

智能垃圾桶通过对投入的物质进行光束照射、芯片分析，得出物品的种类，为实现垃圾桶自主将垃圾转移到相应区域，需要在垃圾桶内部设置一机械板。垃圾桶的内置机械板是可沿轨道左右滑动的金属板，其工作机制受内置芯片控制，芯片内部程序源可根据所接收到的波长判断垃圾的材质并反馈给机械板，从而机械板作出相应的移动方向及移动距离的工作，移至相应位置后机械板向左右两边打开，垃圾落入指定垃圾区域内，同时机械板返回起点位置。

1.4 机械板程序设计与分析

程序解释：根据C语言编程原理设计源程序，定义一个整型变量i，i表示机械板移动的距离；定义一个浮点型变量j，j表示所接收到的波长。扫描所接收到的波长，如果所接收的波长范围为a～b，根据拉曼光谱仪预先测量的数据判断该物质为塑料水瓶，则机械板移动相应长度22.5cm，随机机械板打开，垃圾落入盛放塑料水瓶的箱内；如果所接收的波长范围为c～d，根据所查数据判断该物质为A4纸，则机械板移动相应长度45cm，垃圾落入A4纸的箱内；如果所接收的波长范围为e～f，根据所查数据判断该物质为铁，则机械板移动相应长度67.5cm，垃圾落入盛放铁的箱内；如果所接收的为其他波长范围，则机械板不移动，直接打开让垃圾落入箱内，归为其他材质垃圾（见表1）。通过CodeBlock编译器对源程序进行编译、连接操作证实源程序可成功运行［4］。

表1 机械板程序设计

2 整体设计

2.1 总体外观

为更好地向大众传达出“实行垃圾分类、保护地球家园”的讯号，使其更好地与周围环境融合在一起，让不同年龄段的人群都可以体会出其中的含义，将垃圾桶的外观设计为卡通房子形状，顶部为一个三棱柱，2个形状为三角形的面在整个垃圾桶的左右两侧。总体外形主体为一个长方体，其底面长90cm，宽30cm，高65cm。垃圾桶长120cm，分别多于下面长方体左右两边15cm，宽与长方体相同，30cm。

2.24 个区域

垃圾桶内部盛放垃圾的区域共分为4个子区域，分别对应上述所提的A、B、C、D4个区域，且从垃圾桶正前方来看，从左至右分别为C铁、B纸张、A塑料水瓶、D其他。

因塑料水瓶的丢弃量与其他各类垃圾的丢弃量较多，同时塑料水瓶、A4纸、铁的回收再利用率较高。因此，将不同物质的区域的大小进行不同的设计。此外，根据垃圾桶在不同位置的放置情况，具体设计不同大小的分类区域。

D区域在整体最右侧，内部为长30cm、宽30cm、高45cm的正方体；C区域在整体最左上侧，长15cm，宽30cm，高20cm；B区域在C区域的右侧，长30cm，宽30cm，高20cm；其余区域为A区域，A区域为一个不规则形状，由两部分构成，一部分是在D区域左侧，长15cm，宽30cm，高45cm，另一部分是B、C区域的下方，长45cm，宽30cm，高25cm。

2.3 投放口

投放口在垃圾桶最右侧，即D区域的上方，是一个长30cm、高20cm的矩形。投放口底侧为机械板。

2.4 机械板

根据垃圾桶的4个区域规模大小，设计机械板由长15cm、宽30cm、厚度为1cm的2块金属板组成，金属板的前后两长边均设有凹型卡槽，内部放置微型芯片，在通电及芯片控制下金属板可在金属滑轨上自由移动。金属轨放置于垃圾桶4个区域正上方，金属轨由2条表面光滑金属长筒组成，并分别固定于垃圾桶上表面的前后楞上，为使机械板的滑动及机械口的打开留有足够空间，其长度设为120cm，宽度同机械板为30cm。

2.5 电源

电线连接金属滑轨及机械板，紧贴垃圾桶侧内壁从底部导出。

2.6 太阳能板

为向大众传达可持续发展的思想观念，垃圾桶上部三棱柱房顶部分，上表面两面设置太阳能板，两面分别面朝不同方向，吸收到的太阳光较为充足，节省用电量，具体落实了能源的再利用。

3 结语

本文采用拉曼光谱识别技术及芯片编制程序机械板，设计了一款创新型智能识别垃圾桶，通过对投入物质的识别分类，为垃圾的分类、回收与环境的保护开辟了一种可行有效的措施。但本文中仍存在不足之处，例如，对各种生活垃圾进行进一步更细致的分类是笔者今后进一步研究的主要方向；拉曼光谱感应装置的灵敏度需要进一步提升等。

［1］姜承志.拉曼光谱数据处理与定性分析技术研究［D］.北京：中国科学院大学，2014.

［2］李蔓，夏寅，王丽琴.偏光显微分析和拉曼光谱分析在彩绘颜料鉴定中的应用［J］.光散射学报，2013（3）：268-275.

［3］百度文库.拉曼光谱仪［EB/OL］.（2010-04-26）［2016-08-25］.http∶//wenku.baidu.com/view/7c58db22bcd126fff7050bd2. html.

［4］陆同兴，路轶群.激光光谱——技术原理及应用［M］.2版.北京：中国科学技术大学出版社，2009.

Design of Innovative Intelligent Recognition Garbage Bin Based on Raman Spectrum Identification Technology

Liu YaxuanZhang YangXu LuluZhao Leilei
（Shangdong Woman University，Jinan Shangdong 250300）

With the development of artificial intelligence technology,all kinds of intelligent robots based on chip programming are more and more widely used in medical,entertainment,environmental protection and other fields.Because the current resource is limited,the environmental problem is not optimistic,garbage classification is imminent, so intelligent garbage can was developed by using Raman spectrum and chip programming technology.Due to the scattering light of the inelastic scattering of each material is different,the material waste was judged through the Raman spectrometer to radiation,then put the garbage into different fixed area through the movement of"mechanical plate"in the trash can,to achieve the identification and classification of garbage,save resources,and realize the recycling of useful articles.

intelligent trash can；Raman scattering；scattering；classification；recognition

TN912.3

A

1003-5168（2016）11-0067-03

2016-10-10

张扬（1985-），女，硕士，讲师，指导老师，研究方向：教育心理；刘雅璇（1996-），女，本科在读，研究方向：金融工程；许璐璐（1995-），女，本科在读，研究方向：计算机科学与技术；赵磊磊（1994-），女，本科在读，研究方向：视觉传达。