智能分类垃圾箱设计研究

叶志祥

（北京化工大学，北京 102200）

近年来，随着经济建设和城市化进程的稳步推进，我国取得了令世界瞩目的伟大成就，同时也产生了严重的环境污染问题。据统计，我国历年的垃圾产生量超过60 亿t，占用的土地面积超过5 亿m2，有近200 座城市发展到了无场所堆放垃圾的地步[1]。面对愈演愈烈的“垃圾围城”现象，人们不得不考虑垃圾的处理问题。当前，我国垃圾普遍具有成分复杂、分类不甚明确的特点，并且我国仍属于发展中国家，公民垃圾分类意识不强，如何有效地从源头上对垃圾进行合理分类，变废为宝，进而为我国经济建设做出贡献，是大众共同关注的问题[2]。

1 智能分类垃圾箱的设计

为了实现垃圾的初步分类，解决垃圾无法分类造成的可回收资源无法回收和资源浪费问题，本研究设计了智能分类垃圾箱。

1.1 外观

考虑垃圾箱内环境恶劣，面向的对象为普通大众，垃圾箱外侧主要采用铁质材料，颜色为绿、红、黑，以长方体为主体形象。

1.2 自动感应

在垃圾箱外侧安置红外感应装置，当人靠近时，红外感应装置会发出信号，使产品内部自动运行。使用者无需与垃圾箱进行肢体接触，更加卫生，便于操作。

1.3 内部设计

垃圾箱内部左侧设有风扇和电磁铁，它们均与继电器相连，当继电器发出运行信号时，风扇和电磁铁开始运行。垃圾箱内部还设有高度感应装置，用以监测箱内垃圾高度，从而实现箱满提示功能。将垃圾箱内部分成三个子桶，分别接收铁制垃圾、金属物品、纸张与树叶等，从而实现垃圾的初步分类。

1.4 节能环保

在箱体外侧设有继电器，连接红外感应装置和箱内设备。当接收红外感应装置的信号后，再发送至内部，控制产品运行时间，利用单片机设定程序，当人离开5 s 后切断电源，从而更好地实现节能环保。

1.5 方便快捷

为了确保垃圾回收的方便快捷，垃圾箱外侧设有两扇可拉动的铁制门，在子桶下方设置转轴，垃圾回收清理时，清洁人员只需将子桶绕轴旋转，便可将垃圾进行倾倒回收。在垃圾箱两侧设有圆柱体烟灰缸、废旧电池回收桶和正面为圆形开口的水瓶专用回收桶。整机配有通用钥匙，既可打开烟灰缸、电池筒，也可打开箱门和水瓶专用桶，轻松实现垃圾快捷回收,防止垃圾的乱投乱放及分类垃圾后的竞争。

2 智能分类垃圾箱设计原理

21世纪是一个被互联网和物联网成就的科技时代，在各方人才的推动下，生产生活中的各类物品、器具与网络的结合愈加紧密，人类对网络的依赖程度不断提高，在这种情况下，垃圾桶的智能化显得尤为必要。本文设计的智能分类垃圾箱主要由供电系统、互联网通信系统、传感组件、垃圾分类模块和扩展接口组成，并结合云端处理技术，以尽可能低的成本实现智能化垃圾自动分类，从而在源头上解决垃圾分类不清晰的问题[3]。

供电模块承载着为整套系统提供电力的重要作用，是系统能够正常运行的基本条件，其具体设计可依据经济情况和地区状况而定。若垃圾箱设立区域为像北京、上海等繁华的市中心地带，因其供电网络发达、稳定，故设立的智能分类垃圾箱可直接接入城市供电网络，由国家电网为垃圾箱的运行提供电力；若垃圾箱设立区域经济不发达、离供电网络有较远距离，则可采用光伏电池—蓄电池结合的方式为垃圾箱提供较稳定的电源。

互联网通信模块兼具与云端交互和指令发布的功能，是本套系统的核心组件，是智能分类垃圾箱得以运行的根本。互联网通信模块可通过与云端的交互获得需要执行的指令，并可将指令发布到系统各个区域，再由各区域分别执行，从而指导垃圾箱完成相关功能。同时，通信模块可将系统获取到的信息发送到云端，通过云端对数据进行整合处理和发布等。

传感组件负责对外界环境的感知和对外界信息的收集，是本套系统的“眼睛”所在。其由摄像头和超声波距离传感器组成。传感组件收集到的信息可发送给互联网通信模块进行处理。垃圾分类模块由垃圾暂存组件和垃圾动力投放组件组成，是垃圾智能分类的“手臂”，扩展接口的设立主要是为了应对如今高速发展的社会，增加设备可持续利用年限，使本智能分类垃圾箱不至于被迅速淘汰。通过扩展接口，人们可以依据需要接入合适的传感器或设备，为本套系统提供新的功能。

图1 智能分类垃圾箱系统框架图

3 智能分类垃圾箱系统执行方案

3.1 执行基本条件

当前，我国经济发展尚未达到发达国家水平，但我国互联网和物联网却居于世界前列，我国对垃圾箱的投入成本不可能过高。因此，本设计中的智能分类垃圾箱将复杂的处理计算程序置于云端服务器中进行，而作为客户端的垃圾箱只需具备高速的通信能力和较简单的代码执行能力即可。

本文设计的智能分类垃圾箱需要对垃圾进行智能化分类，因此除了需要智能分类系统外，必须具有不同类型垃圾的储存容器。但敞口的垃圾箱容易滋生细菌、散发臭气，对过往行人造成不利影响，所以本设计采用封闭式分类垃圾存储容器。同时，因为可以做到智能化垃圾分类，人们不必拘泥于现有分类方式，可依据实用性设立分类方法，如将垃圾分为宜焚烧垃圾、宜堆肥垃圾、宜其他处理垃圾。

3.2 执行步骤

当对智能分类垃圾箱供电后，垃圾箱将处于启动休眠状态，人们可以通过云端对部分或全部垃圾箱进行唤醒，唤醒后的垃圾箱所有部分将被激活启动，具备了垃圾自动分类功能。

当行人从垃圾箱的投入口投入一件垃圾后，垃圾将首先通过投入口进入暂存区，然后迅速被摄像机捕获，摄像机拍下照片后将照片传给互联网通信系统。联网通信系统收到照片并对照片进行简单处理，然后将之发送给云端服务器，随后云端服务器采用图像识别技术精准分析照片，并对垃圾进行适合于相应智能分类垃圾箱的分类，最后将分类结果通知垃圾箱。垃圾箱可根据收到的结果发布指令，指导垃圾动力投放组件运转，将垃圾缓存组件中的垃圾投入对应的垃圾储存容器中，这样便实现了一次垃圾智能分类投放操作，垃圾投放完成后，进入空闲状态的垃圾暂存区回到初始位置，以便接受下一次垃圾处理。

每次摄像机捕获到垃圾投入时，系统通知超声波距离传感器获取各垃圾储存容器中垃圾含量，并将得到的数据通过互联网通信模块发送给云端服务器，云端服务器可将收集到的数据进行整合、统计、分析处理后，利用大数据手段，派送垃圾车以服务器计算得到的最优路线前往各垃圾箱处收集垃圾。另外，服务器还可利用各地区垃圾日投放量信息，优化城镇垃圾箱设立数量和设立位置，使每一个垃圾箱都能充分利用，避免不必要的浪费。

3.3 垃圾处理系统

垃圾处理系统主要由红外线测量模块组成，利用红外线传播时的不扩散原理，红外线在穿越其他物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线，而红外线的传播是需要时间的，红外线从测距仪发出后，碰到反射物被反射回来并被测距仪接收，再根据红外线从发出到被接收的时间及红外线的传播速度计算出距离。依此原理，人们在垃圾储存箱的顶部位置发射红外线，当感应到垃圾高度接近箱体高度时，系统会发出信号，呼叫管理人员进行收集。

3.4 太阳能发电供能系统

太阳能光伏发电是指利用半导体、太阳能电池（也称光伏电池）的光生伏特效应，直接将太阳能变成电能，它是一种零排放的清洁能源。太阳能光伏发电是太阳能利用的重要形式，是最具发展前景的发电技术之一。太阳能电磁板将光能转换为电能，经过充电控制器、深循环蓄电池组、逆变器等处理输出电流，再通过ACM 的体内电网为各耗能系统供能。

4 结语

对现有垃圾箱的改造是“一改而得万利”之事，是造福社会的重要举措。本文所设计的智能分类垃圾箱只是一个初步设想，人们还可在其上添加更多的功能，如可加入环卫APP 同步服务器数据，使环卫工人能够获取各智能分类垃圾箱中垃圾含量信息，从而提高环卫工作效率。同时，智能分类垃圾箱需要垃圾分类运输车和垃圾分类收集中转站配合才能完美发挥功能，因此对现有垃圾箱进行改造是一个庞大的工程，可以先在大城市试点后逐步推向全国。未来，“垃圾围城”现象将不再出现，中国城市会逐步走向良性 循环。