绿创智能垃圾箱的设计

谢 静 王景芳

（湖南涉外经济学院信息与机电工程学院，湖南 长沙 410000）

1 系统总体分析与设计

1.1 总体方案设计

设备由伺服电机、垃圾箱、垃圾漏斗、处理入口和摄像头组成。垃圾漏斗配有AI软件和边缘设备组件。垃圾漏斗暂时容纳垃圾，以便在明亮的照明条件下由摄像机捕捉，并由嵌入式边缘设备进行处理。处理入口是智能箱的开口，垃圾箱容纳分类垃圾，直流电机将垃圾箱旋转至垃圾漏斗的阀门。组成智能垃圾箱的所有组件，包括磁性传感器、磁铁、智能垃圾箱和旋转垃圾箱、太阳能板、电池单元、最大功率点跟踪器和电路。伺服电机允许控制智能垃圾箱上的垃圾漏斗阀；磁性传感器检测智能垃圾箱中垃圾容器的位置；太阳能电池板、电池单元以及最大功率点跟踪器组合为智能垃圾箱电路供电，智能垃圾箱是拟议的嵌入式设备。配备摄像头的拟议嵌入式设备充当驻留在垃圾箱本地的高级分析层，非常适合基于edgeIoT的系统[1]，并代表控制智能垃圾箱的中央处理系统。可编程电路和集成开发环境确保在物理板上传拟议的废物检测和分类模型。摄像头支持OTG、自动对焦、自动微光校正功能和即插即用。

绿创智能垃圾箱工作流程如图1所示。

图1 绿创智能垃圾箱工作流程

1.2 硬件方案设计

硬件层由超声波传感器和摄像头组成。超声波传感器测量垃圾箱的水平，摄像头捕捉垃圾的图像。捕获的图像通过集线器发送到高级分析层，高级分析层由边缘计算物联网设备、用于对象检测和分类的深度学习模型及用于与在线系统集成以创建废物类别意识的协作Web服务组成[2]。该框架可以在基于云的并行图形处理单元平台上处理图像，不需要额外硬件投资，可以在本地垃圾箱中处理图像。

1.2.1 感观数据聚合

在实现与智能废物管理相关的不同功能后，将进一步收集传感器值。

收集的传感器数据包括料仓1液位、料仓2液位、料斗3液位、负载感应重量和毒气值。绿创以逗号分隔文件格式将感官数据值收集在一起[3]。发送的累积分隔文件被推送到云端进行分析处理。

1.2.2 传感器控制系统

智能垃圾箱带有超声波传感器，用于测量垃圾水平；还设置了一个微控制器，用于控制系统的操作，通过液晶显示器和平台实时确定4种不同类型垃圾的状态，即生活垃圾、纸张、玻璃和塑料。传感器用于监测垃圾箱的液位，垃圾箱装满时自动将垃圾箱移动到垃圾收集区处理垃圾，将垃圾箱返回其所在区域。此外，智能垃圾箱还安装了气体传感器和雨水传感器，提醒人们注意废物中的有害气体，雨水检测传感器检测到雨水时会自动关闭垃圾箱。同样，传感器也可以测量质量和检测垃圾箱中的垃圾水平，将垃圾卷上的数据发送到在线服务器进行处理，应用传感器可以检测废物量并通过互联网传输数据。

1.2.3 语音识别设计

语音识别技术即自动语音识别，LD3320语音识别模块如图2所示。

图2 LD3320语音识别模块

在孤立字的情况下，每个字的开头和结尾可以直接从信号的能量中检测出来，相比单词边界（切分）检测和识别单词连接更容易[4]。在说话者自适应中，系统采用与说话者无关的模型进行引导，逐步适应每个说话者、用户的具体特点，从而实现智能化语音识别效果。

1.2.4 红外线检测设计

垃圾桶红外线感应盖如图3所示。

图3 垃圾桶红外线感应盖

红外传感器、超声波传感器用于监测垃圾箱隔室中的垃圾和剩余废物空间水平。首先使用传送带起始端的红外传感器检测是否存在垃圾[5]，确定垃圾箱槽内当前状态，以便计算可存放的废弃物量。垃圾箱外面有一个正面红外传感器，可检测用户的接近程度，并自动打开和关闭盖子，打开和关闭智能垃圾箱盖所需的线性运动由制动器控制。

1.3 软件方案设计

1.3.1 语音软件设计

对设备进行主系统启动检测和初始化操作；执行控制面板的通信并分析控制面板发出的命令；语音传感器的检测和操作应基于设定控制命令，主要用于不同电机的启动和停止控制；通过语音传感器的工作状态，采集并识别语音信息；系统计算数据，实现可回收垃圾、厨房垃圾、危险垃圾和其他垃圾的识别以及对应垃圾桶的打开和关闭[6]。

1.3.2 应用软件设计

智能垃圾桶的软件主要通过Android Studio软件开发平台进行开发。基于绿创智能垃圾桶软件，主要实现4个功能：实现对垃圾桶内部容量的监控，及时清理垃圾，避免垃圾堵塞；实现垃圾桶地理位置的实时监控，发现监控过程中垃圾桶的原始位置是否偏离，如果偏离及时纠正；监控智能垃圾桶各功能模块的工作状态，发现异常以鲜红色显示，并向手机发送异常提示及时修复，从而恢复智能垃圾桶的正常运行；智能垃圾桶控制接口可以通过控制接口关闭和启动智能垃圾桶。

2 功能设计

2.1 感应开盖装置

4个分区分别配有红外感应装置，在知道垃圾种类的情况下，无须语音，手部感应对应种类垃圾箱[7]，快速打开投放口进行投放，有效避免病毒的传播和感染。

2.2 智能防夹手装置

每个开盖口配备防夹手装置，关盖过程中触碰到物体则自动重新打开，安全防护。

2.3 语音播报装置

内置智能语音宣传装置，同时配备人体感应设备，设定范围内有人存在则自动播放语音内容，无人时或夜间情况自动关闭（有效节省能源和防止扰民），播报内容可根据实际场景及需求定制。

2.4 桶满检测装置

内置100 L分体垃圾桶，配备桶满检测装置，任意一类桶满后，对应的指示灯亮起，同时将通知发到后台，便于提示清运人员第一时间清理，环卫工人也可参考后台控制App得到通知，针对满桶的区域进行清理。箱体配备斜坡设计，带轮垃圾桶轻易可取出和安装，大幅度提高工作效率[8]。功能设计仿真效果如图4所示。

图4 功能设计仿真效果

3 外观设计

城市公共智能分类垃圾桶的造型设计不仅要体现功能，同样也需要赋予美学意义。智能分类垃圾桶需要满足分类的功能，在造型设计上要满足具有放置不同垃圾且相对封闭的空间，以达到垃圾分类的效果，且不会有后续互相污染的情况。在满足功能需求的基础上，应考虑垃圾桶的造型美观，以达到形式与功能的统一[9-10]。

3.1 色彩设计

在智能垃圾桶的色彩设计上，可以用红色表示有害垃圾，因为红色通常给人以警觉的感受；用绿色表示厨余垃圾，因为绿色通常代表了生命和环保；用蓝色表示可回收垃圾，蓝色能让人放松。对于垃圾桶的色彩设计应提出一套统一的色彩标准，以便人们对垃圾进行分类。

3.2 垃圾桶标志与符号设计

标志一般通过色彩、图形、文字等视觉符号传递视觉信息。在垃圾分类投放行为中，垃圾桶的标志与符号起到了重要的作用，不同种类垃圾的标志符号具有引导和指示人们对垃圾进行分类作用。在垃圾桶的标志设计上，可以通过对标志进行更形象化、更细化设计，以提升垃圾桶标志的可识别性。

4 结语

本文综合分析各种垃圾箱的优缺点以及智能垃圾箱开发与应用现状，提出一种新型智能垃圾箱的设计，经过大数据平台和物联网等先进手段，能够更好地推动垃圾分类，使垃圾分类的源头到处理尾端全流程都有迹可循，将收集的情况数据化，监管更便利透明，有效地推进城市环境的改善，促进资源实现最大化利用，达到城市垃圾减量化的目的。