基于拉曼光譜識(shí)別技術(shù)的創(chuàng)新型智能識(shí)別垃圾桶設(shè)計(jì)

劉雅璇 張揚(yáng) 許璐璐 趙磊磊

（山東女子學(xué)院，山東濟(jì)南 250300）

基于拉曼光譜識(shí)別技術(shù)的創(chuàng)新型智能識(shí)別垃圾桶設(shè)計(jì)

劉雅璇 張揚(yáng) 許璐璐 趙磊磊

（山東女子學(xué)院，山東濟(jì)南 250300）

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于芯片編程的各類(lèi)智能機(jī)器人被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)、環(huán)保等領(lǐng)域。而因當(dāng)下資源有限，環(huán)境問(wèn)題不容樂(lè)觀，垃圾分類(lèi)迫在眉睫，便利用拉曼光譜和芯片編程技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)智能垃圾桶。其利用每種物質(zhì)的非彈性散射的散射光各不相同的原理，通過(guò)拉曼光譜儀對(duì)垃圾進(jìn)行照射，由此判斷垃圾的材質(zhì)，然后通過(guò)垃圾桶內(nèi)“機(jī)械板”的移動(dòng)，將垃圾投入不同的固定區(qū)域，以此實(shí)現(xiàn)垃圾的識(shí)別與分類(lèi)，節(jié)省資源，實(shí)現(xiàn)有用物品的回收再利用。

智能垃圾桶；拉曼光譜；散射；分類(lèi)；識(shí)別

如今，不論是商業(yè)繁華的街頭，還是居民區(qū)的路口，各種造型的垃圾桶隨處可見(jiàn)。大部分垃圾桶都有“可回收”與“不可回收”的區(qū)分，但人們通常隨手一扔，沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)垃圾的分類(lèi)和回收。筆者運(yùn)用拉曼光譜技術(shù)，通過(guò)光束對(duì)物質(zhì)進(jìn)行照射，設(shè)定不同物質(zhì)散射光范圍，根據(jù)其散射光確定物質(zhì)分類(lèi)，可回收垃圾中相應(yīng)同類(lèi)物品通過(guò)機(jī)械板的位移，投至相應(yīng)區(qū)域。垃圾分類(lèi)是保護(hù)環(huán)境、厲行節(jié)約的一個(gè)重要方式，通過(guò)垃圾桶對(duì)垃圾的智能分類(lèi)，有效緩解了當(dāng)前的垃圾分類(lèi)問(wèn)題。而智能識(shí)別垃圾桶的開(kāi)發(fā)基于拉曼光譜及編程的應(yīng)用，具體開(kāi)發(fā)思路和流程如圖1所示。

1 內(nèi)部作用機(jī)制

1.1 拉曼原理介紹

拉曼光譜分析技術(shù)由于具有激發(fā)光源選擇自由度大、檢測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被科研人員重視，在各個(gè)領(lǐng)域如食品安全、制藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)等得到了廣泛的應(yīng)用［1］。光束照射到物質(zhì)上會(huì)發(fā)生2種散射，即彈性散射與非彈性散射。其中，彈性散射的散射光與激發(fā)光波長(zhǎng)相同，非彈性散射的散射光（即拉曼光譜）與激發(fā)光波長(zhǎng)相比，有的比激發(fā)波長(zhǎng)長(zhǎng)，有的比激發(fā)光波長(zhǎng)短。每一種物質(zhì)都有自己的特征，利用光束照射垃圾方可判斷出其物質(zhì)種類(lèi)，繼而通過(guò)智能垃圾桶的機(jī)械板的位移對(duì)垃圾進(jìn)行物質(zhì)分類(lèi)。拉曼光譜類(lèi)似于人的指紋，利用拉曼譜線的頻率、強(qiáng)度和偏振度的不同，可以研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)［2］。

圖1 智能識(shí)別垃圾桶的開(kāi)發(fā)思路及流程

1.2 拉曼光譜的利用

因塑料水瓶、A4紙、鐵的回收利用率較高，所以筆者先對(duì)這幾類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)回收，將垃圾桶內(nèi)分為4個(gè)區(qū)域，分別為塑料水瓶、A4紙、鐵及其他類(lèi)。通過(guò)拉曼光譜實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)，第一步得出具體各類(lèi)物質(zhì)的散射光范圍，理論上可以利用拉曼光譜儀測(cè)量大量各類(lèi)塑料水瓶、A4紙、鐵的非彈性散射的散射光，通過(guò)多次試驗(yàn)得出每類(lèi)物品的大概散射光范圍，設(shè)塑料水瓶物品散射光范圍為a～b，紙張物品散射光范圍為c～d，鐵物品散射光范圍為e～f，除此之外的散射光范圍歸為其他類(lèi)。為實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶能對(duì)所投入物質(zhì)做出自主的判斷分析，第二步將不同物質(zhì)的散射光范圍編制到程序芯片中。為判斷出投入口處物質(zhì)的種類(lèi)，第三步在垃圾桶內(nèi)設(shè)一簡(jiǎn)易拉曼光譜儀，投放物質(zhì)至垃圾入口處，使一束頻率為v0的單色光照射到樣品上，光線發(fā)生散射，拉曼散射光約占總散射光強(qiáng)度的10-10～10-6。當(dāng)所測(cè)垃圾散射光在范圍a～b內(nèi)，則其為塑料水瓶，根據(jù)所編程序，機(jī)械板將塑料水瓶水平位移至其對(duì)應(yīng)區(qū)域，機(jī)械板向兩邊打開(kāi)，塑料水瓶掉入?yún)^(qū)域內(nèi)；同理，所測(cè)垃圾散射光分別在c～d、e～f范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)掉入相應(yīng)區(qū)域，散射光不在這些范圍內(nèi)的垃圾，都掉入其他區(qū)域中。這樣理論上便可實(shí)現(xiàn)最基礎(chǔ)的垃圾分類(lèi)［3］。

1.3 機(jī)械板工作原理

智能垃圾桶通過(guò)對(duì)投入的物質(zhì)進(jìn)行光束照射、芯片分析，得出物品的種類(lèi)，為實(shí)現(xiàn)垃圾桶自主將垃圾轉(zhuǎn)移到相應(yīng)區(qū)域，需要在垃圾桶內(nèi)部設(shè)置一機(jī)械板。垃圾桶的內(nèi)置機(jī)械板是可沿軌道左右滑動(dòng)的金屬板，其工作機(jī)制受內(nèi)置芯片控制，芯片內(nèi)部程序源可根據(jù)所接收到的波長(zhǎng)判斷垃圾的材質(zhì)并反饋給機(jī)械板，從而機(jī)械板作出相應(yīng)的移動(dòng)方向及移動(dòng)距離的工作，移至相應(yīng)位置后機(jī)械板向左右兩邊打開(kāi)，垃圾落入指定垃圾區(qū)域內(nèi)，同時(shí)機(jī)械板返回起點(diǎn)位置。

1.4 機(jī)械板程序設(shè)計(jì)與分析

程序解釋?zhuān)焊鶕?jù)C語(yǔ)言編程原理設(shè)計(jì)源程序，定義一個(gè)整型變量i，i表示機(jī)械板移動(dòng)的距離；定義一個(gè)浮點(diǎn)型變量j，j表示所接收到的波長(zhǎng)。掃描所接收到的波長(zhǎng)，如果所接收的波長(zhǎng)范圍為a～b，根據(jù)拉曼光譜儀預(yù)先測(cè)量的數(shù)據(jù)判斷該物質(zhì)為塑料水瓶，則機(jī)械板移動(dòng)相應(yīng)長(zhǎng)度22.5cm，隨機(jī)機(jī)械板打開(kāi)，垃圾落入盛放塑料水瓶的箱內(nèi)；如果所接收的波長(zhǎng)范圍為c～d，根據(jù)所查數(shù)據(jù)判斷該物質(zhì)為A4紙，則機(jī)械板移動(dòng)相應(yīng)長(zhǎng)度45cm，垃圾落入A4紙的箱內(nèi)；如果所接收的波長(zhǎng)范圍為e～f，根據(jù)所查數(shù)據(jù)判斷該物質(zhì)為鐵，則機(jī)械板移動(dòng)相應(yīng)長(zhǎng)度67.5cm，垃圾落入盛放鐵的箱內(nèi)；如果所接收的為其他波長(zhǎng)范圍，則機(jī)械板不移動(dòng)，直接打開(kāi)讓垃圾落入箱內(nèi)，歸為其他材質(zhì)垃圾（見(jiàn)表1）。通過(guò)CodeBlock編譯器對(duì)源程序進(jìn)行編譯、連接操作證實(shí)源程序可成功運(yùn)行［4］。

表1 機(jī)械板程序設(shè)計(jì)

2 整體設(shè)計(jì)

2.1 總體外觀

為更好地向大眾傳達(dá)出“實(shí)行垃圾分類(lèi)、保護(hù)地球家園”的訊號(hào)，使其更好地與周?chē)h(huán)境融合在一起，讓不同年齡段的人群都可以體會(huì)出其中的含義，將垃圾桶的外觀設(shè)計(jì)為卡通房子形狀，頂部為一個(gè)三棱柱，2個(gè)形狀為三角形的面在整個(gè)垃圾桶的左右兩側(cè)。總體外形主體為一個(gè)長(zhǎng)方體，其底面長(zhǎng)90cm，寬30cm，高65cm。垃圾桶長(zhǎng)120cm，分別多于下面長(zhǎng)方體左右兩邊15cm，寬與長(zhǎng)方體相同，30cm。

2.24 個(gè)區(qū)域

垃圾桶內(nèi)部盛放垃圾的區(qū)域共分為4個(gè)子區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)上述所提的A、B、C、D4個(gè)區(qū)域，且從垃圾桶正前方來(lái)看，從左至右分別為C鐵、B紙張、A塑料水瓶、D其他。

因塑料水瓶的丟棄量與其他各類(lèi)垃圾的丟棄量較多，同時(shí)塑料水瓶、A4紙、鐵的回收再利用率較高。因此，將不同物質(zhì)的區(qū)域的大小進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。此外，根據(jù)垃圾桶在不同位置的放置情況，具體設(shè)計(jì)不同大小的分類(lèi)區(qū)域。

D區(qū)域在整體最右側(cè)，內(nèi)部為長(zhǎng)30cm、寬30cm、高45cm的正方體；C區(qū)域在整體最左上側(cè)，長(zhǎng)15cm，寬30cm，高20cm；B區(qū)域在C區(qū)域的右側(cè)，長(zhǎng)30cm，寬30cm，高20cm；其余區(qū)域?yàn)锳區(qū)域，A區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)不規(guī)則形狀，由兩部分構(gòu)成，一部分是在D區(qū)域左側(cè)，長(zhǎng)15cm，寬30cm，高45cm，另一部分是B、C區(qū)域的下方，長(zhǎng)45cm，寬30cm，高25cm。

2.3 投放口

投放口在垃圾桶最右側(cè)，即D區(qū)域的上方，是一個(gè)長(zhǎng)30cm、高20cm的矩形。投放口底側(cè)為機(jī)械板。

2.4 機(jī)械板

根據(jù)垃圾桶的4個(gè)區(qū)域規(guī)模大小，設(shè)計(jì)機(jī)械板由長(zhǎng)15cm、寬30cm、厚度為1cm的2塊金屬板組成，金屬板的前后兩長(zhǎng)邊均設(shè)有凹型卡槽，內(nèi)部放置微型芯片，在通電及芯片控制下金屬板可在金屬滑軌上自由移動(dòng)。金屬軌放置于垃圾桶4個(gè)區(qū)域正上方，金屬軌由2條表面光滑金屬長(zhǎng)筒組成，并分別固定于垃圾桶上表面的前后楞上，為使機(jī)械板的滑動(dòng)及機(jī)械口的打開(kāi)留有足夠空間，其長(zhǎng)度設(shè)為120cm，寬度同機(jī)械板為30cm。

2.5 電源

電線連接金屬滑軌及機(jī)械板，緊貼垃圾桶側(cè)內(nèi)壁從底部導(dǎo)出。

2.6 太陽(yáng)能板

為向大眾傳達(dá)可持續(xù)發(fā)展的思想觀念，垃圾桶上部三棱柱房頂部分，上表面兩面設(shè)置太陽(yáng)能板，兩面分別面朝不同方向，吸收到的太陽(yáng)光較為充足，節(jié)省用電量，具體落實(shí)了能源的再利用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用拉曼光譜識(shí)別技術(shù)及芯片編制程序機(jī)械板，設(shè)計(jì)了一款創(chuàng)新型智能識(shí)別垃圾桶，通過(guò)對(duì)投入物質(zhì)的識(shí)別分類(lèi)，為垃圾的分類(lèi)、回收與環(huán)境的保護(hù)開(kāi)辟了一種可行有效的措施。但本文中仍存在不足之處，例如，對(duì)各種生活垃圾進(jìn)行進(jìn)一步更細(xì)致的分類(lèi)是筆者今后進(jìn)一步研究的主要方向；拉曼光譜感應(yīng)裝置的靈敏度需要進(jìn)一步提升等。

［1］姜承志.拉曼光譜數(shù)據(jù)處理與定性分析技術(shù)研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2014.

［2］李蔓，夏寅，王麗琴.偏光顯微分析和拉曼光譜分析在彩繪顏料鑒定中的應(yīng)用［J］.光散射學(xué)報(bào)，2013（3）：268-275.

［3］百度文庫(kù).拉曼光譜儀［EB/OL］.（2010-04-26）［2016-08-25］.http∶//wenku.baidu.com/view/7c58db22bcd126fff7050bd2. html.

［4］陸同興，路軼群.激光光譜——技術(shù)原理及應(yīng)用［M］.2版.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

Design of Innovative Intelligent Recognition Garbage Bin Based on Raman Spectrum Identification Technology

Liu YaxuanZhang YangXu LuluZhao Leilei
（Shangdong Woman University，Jinan Shangdong 250300）

With the development of artificial intelligence technology,all kinds of intelligent robots based on chip programming are more and more widely used in medical,entertainment,environmental protection and other fields.Because the current resource is limited,the environmental problem is not optimistic,garbage classification is imminent, so intelligent garbage can was developed by using Raman spectrum and chip programming technology.Due to the scattering light of the inelastic scattering of each material is different,the material waste was judged through the Raman spectrometer to radiation,then put the garbage into different fixed area through the movement of"mechanical plate"in the trash can,to achieve the identification and classification of garbage,save resources,and realize the recycling of useful articles.

intelligent trash can；Raman scattering；scattering；classification；recognition

TN912.3

A

1003-5168（2016）11-0067-03

2016-10-10

張揚(yáng)（1985-），女，碩士，講師，指導(dǎo)老師，研究方向：教育心理；劉雅璇（1996-），女，本科在讀，研究方向：金融工程；許璐璐（1995-），女，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)；趙磊磊（1994-），女，本科在讀，研究方向：視覺(jué)傳達(dá)。