多功能智能分类垃圾桶的设计

闫俊伢 元圆梦

（山西大学商务学院 信息学院 山西省太原市 030031）

生活垃圾污染一直是社会关注问题之一。自2019年起在全国地级及以上城市全面正式启动生活垃圾分类，加快建立分类投放、收集、运输、处理的垃圾处理系统，加快提高生活垃圾的收集、分类，已经成为社会发展重要问题之一[1]。在调查分析的基础上，为响应社会需求，设计多功能智能分类垃圾桶。

1 设计技术

“多功能智能分类垃圾桶”的核心是智能识别系统，智能识别系统由微电脑控制芯片、自然光虹膜图像识别、红外传感探测装置组成。微电脑控制芯片采用目标检测、显著性检测、分类、目标跟踪、颜色校正等多种算法。该设计是通过智能识别系统来进行分辨分类，将干垃圾、湿垃圾、可回收垃圾等，以各式各类的形状和种类的图片提前存入系统。垃圾投入后，识别系统通过红外传感探测装置以及自然光图虹膜像识别，将扫描到的垃圾与系统预先存入的图片进行对比，将识别到的垃圾与对应垃圾箱匹配后，利用分离系统进行再一次分类。

2 设计过程

该设计由智能识别系统、分离系统、4 个主体垃圾存储箱、螺线管、供电系统以及集成模块组成，具体运行方式为：

垃圾投入——通过与智能识别系统中预存信息对比，做出正确分类；

电路控制——智能识别系统发出指令控制螺线管通电；

垃圾分类——螺线管在接通电源后，产生磁性，吸引周边铁架，通过通电螺线管使相对应挡板打开，垃圾将会进入对应的垃圾存储箱，实现垃圾正确分类。

2.1 设计原理

该设计最大程度上确保垃圾正确分类。垃圾投入时，当人体或物件在智能垃圾桶感应识别的范围（30-40cm）之内时，微电脑控制芯片中的目标跟踪算法以及红外线探测装置就会启动，桶盖自动打开；当垃圾投入时，智能识别系统会进行识别，通过通电螺线管确保垃圾正确分类；当人体或物件离开感应区时，桶盖自动关闭。

2.2 设计功能

“多功能智能分类垃圾桶”由智能识别系统、主体垃圾存储箱、螺线管、分离系统以及供电系统、集成模块[2]六部分组成。多功能智能分类垃圾桶功能结构图如图1所示。

2.2.1 智能识别系统

智能识别系统由微电脑控制芯片、自然光虹膜图像、红外传感探测装置三部分组成；

图1：多功能智能分类垃圾桶功能结构图

图2：垃圾桶外观图

智能识别系统主要对事物进行正确的识别和分类。将各类垃圾的信息扫描录入到事物的隶属函数中（隶属度表示对象隶属某一类的程度），经过目标检测算法、显著性检测算法、分类算法、目标跟踪算法等一系列计算，分辨出垃圾类型，从而进行正确分类。

（1）微电脑控制芯片：用来存储不同形状不同种类的图片。

（2）红外传感探测装置：投入垃圾之后，系统将扫描到的垃圾信息迅速与系统中预先存储的信息进行对比识别，将识别到的垃圾与垃圾存储箱进行匹配，以确保垃圾进行后续分类。

（3）自然光虹膜图像识别：利用颜色校正算法对光照下的垃圾进行颜色、实体特征校对。光照下的虹膜图像差异、背景等都会导致图像颜色的一个偏差[3]。这一识别技术将能够很好的消除此影响，确保最大程度获取物体特征。

图3：产品分解图

2.2.2 分离系统

分离系统采用挡板式，主体箱的挡板都是独立的，互不影响。这四块挡板均是受支架和螺线管的控制，螺线管和智能识别系统在通电情况下互相连接。有垃圾扔投入时，识别系统会正确识别投入垃圾的类型。

2.2.3 垃圾存储箱

将垃圾分类干垃圾、湿垃圾、有毒垃圾以及未识别垃圾[4]。

2.2.4 螺线管

螺线管常用于通过导通或切断电流的方式来操纵与挡板支架相连接。

2.2.5 供电系统

主要为其供电所需，采用高密度聚合物电池，比普通电池持久20%以上，电池循环次数也增加200 多次。

2.2.6 集成模块

此模块集成了存储模块、LED 显示、显示模块和单片机。

3 设计效果

根据设计功能结构图，利用C4D 技术设计出产品概念图。

在“多功能智能分类垃圾桶”表面设有开关键、屏幕显示屏以及LED 显示灯。正面图如图2(A)所示，在背面设有充电孔，用来为垃圾桶集中供电，背面图如图2(B)所示。在桶盖还设有屏幕显示屏，用来显示扔入垃圾是哪一类；显示屏内部有集成电路板，用来正确分类垃圾以及感应识别人体或物体。显示屏外观图如图2(C)所示，在显示屏内部有集成电路板，用来正确分类垃圾以及感应识别人体或物体，显示屏内部连接图如图2(D)所示。

在“多功能智能分类垃圾桶”桶身设有LED 显示灯，显示灯中部设置有拍摄装置，用来显示桶内垃圾是否满溢。

（1）当桶内4 个桶箱均为空时，LED 显示为绿色；当桶内4个桶箱全满时，LED 显示为红色；

（2）当桶内干垃圾满时，LED 显示为蓝色；当桶内湿垃圾满时，LED 显示为黄色；当桶内有毒垃圾满时，LED 显示为紫色；当桶内未识别垃圾满时，LED 显示为黑色。

“多功能智能分类垃圾桶”产品分解如图3所示。

4 结语

该设计以智能识别系统为核心，筒身全智能化[5]。除此之外，桶盖采用LED 显示屏，当桶内垃圾装满或为空时，LED 灯会显示相应灯光，满足了人们日常生活中对垃圾识别分类的需求；采用红外线探测感应装置以及多种算法，将人们从数量庞大的垃圾分类中解放，有效提高垃圾分类效率与正确率，适用于家庭、办公等场所，设计的智能化多功能垃圾桶极大满足了用户需求。多功能智能分类垃圾桶可以有效培养人们环保意识，改善环境问题，提高工作效率，垃圾的正确分类可以确保二次回收，使资源可以重复利用，即节约能源变废为宝，在保证智能化同时取得良好的经济效应、社会效应与环境效应。