智能杀菌分类垃圾桶的设计与实现

冯寿岗，刘娅楠，李圣君

（曲阜师范大学计算机学院，山东日照，276826）

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，垃圾处理已成为全球性的问题。当前城市垃圾桶周围经常出现垃圾溢出的现象，环境中的病毒有充分的时间和条件通过垃圾进行传播，给病毒的传播留下了隐患。特别是近年来新型冠状病毒的出现，给人们的生活带来了严峻的挑战。当前对垃圾桶主要进行人工消毒，只是对垃圾本身进行处理，并没有实质性的切断传播路径，而且人工消毒工作消耗巨大的人力物力。另外，人们普遍缺乏垃圾分类的意识和常识，无法将各类垃圾独立分类，这给病毒的滋生与传播也创造了有利条件[1]。

基于目前现状及需求，设计出一款具有杀菌消毒功能的语音分类垃圾桶[2]。该设计基于智能化红外感应装置、超声波控制系统以及无线通信系统，在实现系统自动开关盖、垃圾数量检测、语音垃圾分类和人脸识别上报管理等功能基础上，垃圾桶装有消毒喷雾装置和紫外线杀菌灯，桶内可通过紫外线对垃圾进行杀菌消毒，桶外可通过喷雾对投放者手部进行杀菌消毒，有效防止了病毒通过垃圾进行传播，有利于营造出良好的生活环境。

1 产品功能与原理

此设计利用特殊箱体结构并组合多种模块使垃圾桶变得更加智能化，控制模块采用STM32主板作为系统的核心板，通信模块采用ESP8266模块用于系统的信息上报，如图1所示。本系统要实现的功能包括：手部杀菌消毒、桶内净化除味、垃圾数量检测、人脸识别数据统计、语音识别垃圾分类[3]等。

图1 功能实现

当感应装置检测到用户靠近垃圾桶时，将向单片机发送信号，驱动电机完成开盖动作，同时人脸识别模块将进行识别并上报数据。当垃圾桶盖开启时，启动语音识别模块，用户根据提示说出语音。语音模块将进行信息匹配，根据匹配结果，垃圾桶将旋转相应隔板完成垃圾分类。当用户将垃圾投入桶内后，垃圾桶盖上的喷雾头将向投掷垃圾区域处喷洒消毒液，对用户手部进行杀菌消毒，桶内紫外线杀菌装置将定时对垃圾杀菌，从而有效地减少了病毒通过垃圾进行传播。

1.1 自动开盖与垃圾分类动力模块

垃圾桶自动开盖功能将采用光电感应模块进行检测，光电传感器在有效范围内检测有无物体，然后将信息传给单片机并向舵机发出电信号。垃圾分类则通过语音模块识别语音，然后驱动相应隔板的舵机完成分类功能。

光电传感器是发射与接收集一体化的传感器，工作原理是由发射光通过调制后发出，然后接收头对反射光进行解调输出，最后决定桶盖是否打开[4]。舵机为开盖和垃圾分类提供动力，并由可以改变宽度的脉冲控制舵机旋转角度，经过不断调试，调试出合适的开盖角度以及分类隔板旋转角度。

1.2 垃圾数量检测模块

垃圾数量检测利用超声波传感器和压力传感器结合进行检测。

超声波传感器由发射头和接收头组成，根据声波接收与发射的时间差进行距离计算，从而得到垃圾高度。压力传感器采用电阻应变片式称重传感器，将传感器安装于垃圾桶底部。当垃圾受重力使传感器发生形变时，传感器将产生电信号，电信号经过放大转化变为数字信号。将垃圾高度与重量结合分析，有效避免了垃圾过轻或过重导致检测不准确的情况出现。

1.3 消毒除味模块

垃圾桶内部安装气敏传感器和紫外线杀菌灯，分别用于对桶内异味的检测和对桶内垃圾的杀菌消毒。气敏传感器的原理为，传感器中的半导体可吸收空气中的氧气，从而使半导体电阻增大；当空气中的氨气和其他气体含量升高时，将分解半导体中吸附的氧气，从而使电阻减小。根据电阻的变化向主板发送信号，达到对垃圾桶内部气味的检测。

垃圾桶采用水泵将消毒液运输至喷头，喷头对投放者手部进行消毒，并对桶内进行除味。消毒喷洒水泵将采用微型隔膜泵，该水泵体积小，便于放置，节约空间，噪音较小，可以带来良好的使用体验。

1.4 语音识别分类模块

语音识别垃圾分类采用基于ASR技术的语音控制芯片LD3320进行语音识别，将该芯片接口与STM32单片机相连，并将单片机与L298N模块连接用于驱动舵机完成分类功能，如图2所示。将设定好的关键词传送到语音模块中，无需在单片机中调用语音包，大大降低了单片机的负担。基于LD3320不需要外接辅助的RAM、Flash和AD，可以独立完成语音识别。

图2 语音模块工作系统图

2 功能实现

2.1 垃圾数量检测与自动感应开盖

垃圾数量检测功能：当垃圾数量达到压力传感上报限度时，开启垃圾桶上方的超声波模块检测，若同时达到两个模块的限度才能进行上报，解决了垃圾过重或过轻导致错误上报的问题。通过模块间相互配合上报，解决了社会上垃圾堆满垃圾桶，甚至溢出到垃圾桶外的现象，如图3所示。

图3

自动开盖功能：当光电传感器检测到有人靠近并小于设定距离时，将驱动舵机旋转进行开盖。此过程中光电传感器持续检测，当检测到有人离开并大于设置距离时，则将驱动舵机旋转进行桶盖关闭，若持续小于设置距离则垃圾桶保持开盖状态，如图4所示。

图4

2.2 杀菌除味功能

垃圾桶内使用紫外线杀菌灯进行桶内杀菌，将紫外线杀菌灯安装在垃圾桶内分区上方。杀菌灯连续照射20分钟左右即可达到良好的杀菌效果。杀菌灯根据投放数据统计采用定时开关，若在垃圾投放高峰期将缩短照射的时间间隔，若在垃圾投放数量较少的时间段将增大照射的时间间隔，有效减少了电量的消耗。通过紫外线照射微生物，它们细胞的一些DNA和RNA吸收紫外线并产生光化学效果，导致细胞内部件，尤其是核酸原生质蛋白和酯产生化学变化，以使细胞质变性。

垃圾桶外使用消毒喷雾对投放者手部进行消毒，将消毒喷头安装在垃圾桶盖内侧，如图5所示。在开盖时用于对手部的杀菌，结合开盖角度与喷洒角度设计出合适喷洒范围。首先垃圾桶盖打开，人们将垃圾放入垃圾桶，此时喷雾将对手部进行杀菌消毒，良好地隔绝了垃圾与手部的病毒传播。

图5

垃圾桶内使用气敏传感器进行空气检测，经过不断地测试找出合适数值，如图6所示。当检测数值超过一定数值时，气味传感器将向单片机发送信号，驱动水泵向桶内释放除臭剂。此时垃圾桶盖恰好成闭合状态，喷雾头朝向桶内，与消毒喷雾使用同一个喷雾头提高了器件利用率，彻底地解决了垃圾桶附近的异味问题。

图6

2.3 语音识别垃圾分类功能

垃圾分类功能基于语音识别进行实现，将LD3320模块设置为触发识别模式。当光电传感器检测到人靠近开启垃圾桶盖时，开始启动语音识别模块，有效地降低了能耗。投放垃圾时，系统将播放宣传保护环境的信息，对垃圾分类和环境保护进行科普介绍，并且提示使用者根据垃圾情况向垃圾桶说出“可回收垃圾”、“有害垃圾”、“厨余垃圾”和“其他垃圾”等。语音识别模块将识别出使用者说出的关键词，进行下一步的分析并进行匹配。根据匹配结果，驱动相关隔板舵机旋转完成分类操作，垃圾桶将该垃圾投放至所属垃圾桶内[5]。识别流程如图7所示。

图7

垃圾桶采用一桶四区的设计，将一个箱体分成四个区域，分别为可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾，垃圾桶内部运用巧妙的物理结构进行垃圾分类，如图8所示。垃圾桶上方采用V字形挡板，使用舵机为动力进行旋转，按照垃圾所属种类使垃圾落入第二层垃圾分类挡板，最终第二层垃圾分类板旋转将垃圾正确入桶。

图8

当垃圾为“可回收垃圾”时，V字形挡板左侧向下旋转90°并停留两秒后旋转回到初始位置，第二层分类挡板在V字形挡板旋转回到初始位置时逆时针旋转90°，两秒后恢复初始位置；

当垃圾为“有害垃圾”时，V字形挡板左侧向下旋转90°并停留两秒后旋转回到初始位置，第二层分类挡板在V字形挡板旋转回到初始位置时顺时针旋转90°，两秒后恢复初始位置；

当垃圾为“厨余垃圾”时，V字形挡板右侧向下旋转90°并停留两秒后旋转回到初始位置，第二层分类挡板在V字形挡板旋转回到初始位置时逆时针旋转90°，两秒后恢复初始位置；

当垃圾为“其他垃圾”时，V字形挡板右侧向下旋转90°并停留两秒后旋转回到初始位置，第二层分类挡板在V字形挡板旋转回到初始位置时顺时针旋转90°，两秒后恢复初始位置。垃圾分类如图9所示。

图9

2.4 人脸识别功能

人脸识别功能首先需要在该使用社区收集一个小型数据库。用户可以在首次使用时通过系统的摄像头采集自己的人脸特征数据。摄像头捕捉用户面部的多个特征，并将其存储在人脸识别数据库中。人脸特征数据采集完成后，通过调用百度人脸识别API，利用FaceDataset提供的人脸识别库，结合OpenCV开源计算机视觉库，对系统的人脸识别数据库进行识别[6]。工作流程如图10所示。

图10

2.5 网上服务功能

服务网页设计以绿色为主色，如图11所示，符合绿色生态和环保[7]。

图11

利用表单将用户数据从浏览器传递到Web服务器，并建立登录界面，用于对数据库进行查询。ASP程序在服务器端工作，通过服务器端编译动态发送HTML文件，与服务器上的运行程序之间进行数据交换[8]。

通过每次居民投掷垃圾后的后台数据库记录，监督居民的垃圾分类情况，并每月生成垃圾分类报告。管理员通过报告实施奖惩制度，大大提高了垃圾分类效率，也培养了人们的垃圾分类好习惯。

3 结论

本设计通过将各种传感器应用在垃圾桶上实现杀菌消毒、语音分类等功能，可以通过传感器反馈数据及时对桶内进行杀菌除味，在用户投放垃圾后可对用户手部喷洒消毒液，从而有效切断病毒的传播途径。结合垃圾桶的垃圾分类功能，并根据数据进行奖惩，大大提高了垃圾分类效率，提高了人们的环境保护意识，可以为常态化疫情防控、营造健康环境做出应有贡献。

在实际应用过程中，该垃圾桶仍存在空气检测易受环境干扰，准确率不够稳定的问题，未来仍须进一步优化。此外，还可以构建智能垃圾桶数据分析系统，分析垃圾在不同位置的摆放情况下的数据，为垃圾分类提供更加智能化的服务。