多功能智能垃圾桶的创新设计

陈宁昕 杨佳睿 董英浩 彭小菲 李东朔 李春伟

摘要：针对市场上垃圾桶存在的功能单一等问题，本文基于智能化的设计理念，提出设计一款多功能智能垃圾桶，可实现垃圾智能识别、环境监测、杀菌消毒、声控寻迹、自动开盖、太阳能供电、语音提醒及麦克纳姆轮等多种功能，该垃圾桶的设计方案具有一定的推广应用价值。

关键词：多功能垃圾桶；智能识别；环境监测；杀菌消毒

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1400 （2020） 11-0087-03

基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（S202010225075）

Innovative Design of Multifunctional Intelligent Dustbin

CHEN Ning-xin， YANG Jia-rui， DONG Ying-hao， PENG Xiao-fei， LI Dong-shuo， LI Chun-wei（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： In view of the single function of the dustbin in the market， based on the intelligent design concept， this paper proposes to design a multi-functional intelligent dustbin， which can realize the functions of garbage intelligent identification， environmental monitoring， sterilization， voice tracking， automatic cover opening， solar power supply， voice warning and Mecanum wheel. The design scheme of the dustbin has certain promotion and use value value.

Keywords： multifunctional dustbin； intelligent recognition； environmental monitoring； sterilization

引言

隨着社会的发展，垃圾分类已经成为一个需要迫切解决的热点问题。2019年7月1日起，上海步入“强制”垃圾分类时代，全市城管执法系统全面贯彻实施《条例》，聚焦“分类投放、分类收集、分类运输、分类处置”四个环节，深入开展生活垃圾分类执法行动，为促进生活垃圾源头减量和资源循环利用提供有力的执法保障。同时，实行垃圾分类，关系广大人民群众生活环境，关系节约使用资源，也是社会文明水平的一个重要体现[1-3]。国家越来越重视垃圾分类，百姓也应当积极响应国家的号召。但突如其来垃圾分类对于普通市民来说，确实是一项棘手的任务。因此，为了节约时间，方便百姓生活，设计和研发一款可智能分类的多功能垃圾桶具有十分重要的现实意义。目前，中国已有学者开始研究智能分类垃圾箱，例如，通过树莓派进行垃圾识别再投放，从而达到分类的效果。但是这种仅仅具有单一功能的垃圾桶已无法满足人民生活的需要，基于此，本文提出设计一款具有多种功能的智能垃圾桶，以期为解决垃圾回收问题提供一定的理论支撑和技术借鉴。

1 设计思路

针对目前市场的垃圾桶的存在的问题进行分析[4-6]，结合市场情况的调查，提出设计一款多功能智能垃圾桶，将多种实用性功能集于一体，最终达到“一桶多用”的目的。多功能智能垃圾桶的设计思路：首先针对垃圾桶的总体结构进行整体布局，然后对各功能的实现路径和手段进行大致规划，再将每项功能进行独立性设计并加以实现，最终给出能够集垃圾精准分类的多功能智能垃圾桶的设计方案。

2 功能实现

2.1智能识别功能

采用二元分类的策略将垃圾分为干垃圾与湿垃圾两类，具体可采用卷积神经网络来实现图片分类的功能。智能垃圾桶总体结构及内部结构如图1所示。

智能识别功能实现步骤如下：

1）在托盘上安装一个与树莓派相连接的压敏电阻。垃圾被扔入垃圾桶后，通过压敏电阻，给树莓派一个控制信号。树莓派与摄像头连接，然后控制摄像头拍照。

2）拍完的照片再传给树莓派，输入到卷积神经网络的输入层，再由卷积层对垃圾图

像进行特征提取，然后经由池化层对得到的特征图像进行降为处理，由激励层做出非线性映射，然后由全连接层对多个特征值进行整合，最后由输出层进行分类。工作流程如图2所示。

3）分类结果传入Arduino，然后操纵电机进行转动。

2.2监测环境功能

该款智能垃圾桶装配着空气品质监测仪，能够对室内温度、湿度与VOC气体的实时采集处理、显示、报警等功能。

该功能的实现步骤如下：1）以单片机stm32f103zet6为核心，选择温度传感器LMT70，并用锂电池给仪器供电。2）利用MCU进行数据采集，保证前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的评价。3）显示部分采用LCD1602显示屏，循环显示各项测量值的上下限及实际浓度、实际温度、湿度。并在按键选择情况下连续显示一个测量值的变化。4）当有害气体浓度超出安全范围时进行声光报警。5）按键操作可进行测量值范围的调整，及手动和自动测量的转换。

2.3杀菌消毒功能

新型冠状病毒肺炎爆发，卫生安全格外重要。由于垃圾中可能包含废弃口罩等物品，为防止病毒扩散，在垃圾桶内安装紫外线灯，可使该垃圾桶具有杀菌消毒功能。

该功能的实现过程如下：在垃圾桶顶部的盖子内侧装置两个长型管状的紫外线灯管。使用者可以根据需要，随时选择消毒时间。为保护灯管，打开开关的一小时后，紫外线灯将会自动熄灭。在灯管的电源接一个控制开关，控制开关连接Arduino，Arduino内部设置延时30分钟，即可实现该功能。紫外线灯管如图3所示。

2.4声控寻迹功能

智能垃圾桶配备有声控寻迹功能，不仅可以节省家庭垃圾桶数量，实现资源最大化利用；另一方面还可以大大提高扔垃圾的便捷程度，提升家庭生活幸福感。

该功能的具體实现过程：首先在地上规划出垃圾桶的运动路径（客厅到厨房、客厅到卧室等），然后在垃圾桶上装置红外寻迹模块和声控装置。红外寻迹模块与声控装置连接Arduino，并设置好语音控制命令（“过来厨房”、“过来卧室”等等）。Arduino连接垃圾桶底部轮子上的电机。例如，当使用者发出“过来厨房”指令，垃圾桶将会根据设定好的路径移动到厨房。

2.5自动开关盖功能

智能垃圾桶的自动开关盖功能的实现过程：在垃圾桶正面安装红外线传感器，并连接Arduino。当使用者的手靠近垃圾桶正面时，红外线传感器检测到手部经过感应区域，然后将信号传入Arduino。Arduino控制舵机，打开垃圾桶。

2.6太阳能供电功能

智能垃圾桶的太阳能供电功能的实现过程：在垃圾桶的顶部安装太阳能电池板，连接垃圾桶内部的电源。在阳光充足的情况下给电源蓄电。同时安装备用电源，在连续阴天的情况下，由备用电源直接供电。

2.7语音提醒功能

智能垃圾桶的语音提醒功能的实现过程：在垃圾桶内的上方安装一个位置传感器并连接Arduino，其中位置传感器选择接近式传感器。当垃圾桶中的垃圾接近设定的位置时，传感器发出“动作”信号传给Arduino。Arduino再将信号传入语音播报系统，就可以发出语音，提醒使用者打包垃圾并更换垃圾袋。

2.8麦克纳姆轮功能

麦克纳姆轮的全方位运动设备可以实现在有限的空间内前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。可以在垃圾桶底部安装四个麦克纳姆轮，使垃圾桶在声控寻迹的过程中可以灵活运动。

3 结束语

本文设计了一款集垃圾智能识别、环境监测、杀菌消毒、声控寻迹、自动开盖、太阳能供电、语音提醒及麦克纳姆轮等多种功能为一体的智能垃圾桶。它不仅为人民生活提供了便利，而且对于节约能源及环境保护也具有一定的积极意义，可为各类人群及多种应用场合提供更科学便捷的服务。

参考文献：

[1] 杨秀秀， 马利兵， 孟春阳， 等. 智能分类垃圾箱系统设计[J]. 黑龙江科技信息， 2015（24）：82-84.

[2] 鲍中山， 孟玲霞， 曾凡浩. 智能分类垃圾箱设计[J]. 高校实验室科学技术， 2019.

[3] 韩晓静， 修友祺. 智能分类垃圾箱的简单设计[J]. 产业与科技论坛， 2017， 016（003）：84-85.

[4] 石园园， 陈伟. 引导式智能分类垃圾箱[J]. 包装工程， 2019， 40（02）：271.

[5] 杨凯程， 施允洋. 一种新型智能垃圾桶设计[J]. 机电信息， 2019， No.603（33）：148-149.

[6] 尹泊允. 一种家用语音控制分类垃圾桶的设计[J]. 科技风， 2019（16）.