智能分類垃圾箱設計研究

葉志祥

（北京化工大學，北京 102200）

近年來，隨著經濟建設和城市化進程的穩步推進，我國取得了令世界矚目的偉大成就，同時也產生了嚴重的環境污染問題。據統計，我國歷年的垃圾產生量超過60 億t，占用的土地面積超過5 億m2，有近200 座城市發展到了無場所堆放垃圾的地步[1]。面對愈演愈烈的“垃圾圍城”現象，人們不得不考慮垃圾的處理問題。當前，我國垃圾普遍具有成分復雜、分類不甚明確的特點，并且我國仍屬于發展中國家，公民垃圾分類意識不強，如何有效地從源頭上對垃圾進行合理分類，變廢為寶，進而為我國經濟建設做出貢獻，是大眾共同關注的問題[2]。

1 智能分類垃圾箱的設計

為了實現垃圾的初步分類，解決垃圾無法分類造成的可回收資源無法回收和資源浪費問題，本研究設計了智能分類垃圾箱。

1.1 外觀

考慮垃圾箱內環境惡劣，面向的對象為普通大眾，垃圾箱外側主要采用鐵質材料，顏色為綠、紅、黑，以長方體為主體形象。

1.2 自動感應

在垃圾箱外側安置紅外感應裝置，當人靠近時，紅外感應裝置會發出信號，使產品內部自動運行。使用者無需與垃圾箱進行肢體接觸，更加衛生，便于操作。

1.3 內部設計

垃圾箱內部左側設有風扇和電磁鐵，它們均與繼電器相連，當繼電器發出運行信號時，風扇和電磁鐵開始運行。垃圾箱內部還設有高度感應裝置，用以監測箱內垃圾高度，從而實現箱滿提示功能。將垃圾箱內部分成三個子桶，分別接收鐵制垃圾、金屬物品、紙張與樹葉等，從而實現垃圾的初步分類。

1.4 節能環保

在箱體外側設有繼電器，連接紅外感應裝置和箱內設備。當接收紅外感應裝置的信號后，再發送至內部，控制產品運行時間，利用單片機設定程序，當人離開5 s 后切斷電源，從而更好地實現節能環保。

1.5 方便快捷

為了確保垃圾回收的方便快捷，垃圾箱外側設有兩扇可拉動的鐵制門，在子桶下方設置轉軸，垃圾回收清理時，清潔人員只需將子桶繞軸旋轉，便可將垃圾進行傾倒回收。在垃圾箱兩側設有圓柱體煙灰缸、廢舊電池回收桶和正面為圓形開口的水瓶專用回收桶。整機配有通用鑰匙，既可打開煙灰缸、電池筒，也可打開箱門和水瓶專用桶，輕松實現垃圾快捷回收,防止垃圾的亂投亂放及分類垃圾后的競爭。

2 智能分類垃圾箱設計原理

21世紀是一個被互聯網和物聯網成就的科技時代，在各方人才的推動下，生產生活中的各類物品、器具與網絡的結合愈加緊密，人類對網絡的依賴程度不斷提高，在這種情況下，垃圾桶的智能化顯得尤為必要。本文設計的智能分類垃圾箱主要由供電系統、互聯網通信系統、傳感組件、垃圾分類模塊和擴展接口組成，并結合云端處理技術，以盡可能低的成本實現智能化垃圾自動分類，從而在源頭上解決垃圾分類不清晰的問題[3]。

供電模塊承載著為整套系統提供電力的重要作用，是系統能夠正常運行的基本條件，其具體設計可依據經濟情況和地區狀況而定。若垃圾箱設立區域為像北京、上海等繁華的市中心地帶，因其供電網絡發達、穩定，故設立的智能分類垃圾箱可直接接入城市供電網絡，由國家電網為垃圾箱的運行提供電力；若垃圾箱設立區域經濟不發達、離供電網絡有較遠距離，則可采用光伏電池—蓄電池結合的方式為垃圾箱提供較穩定的電源。

互聯網通信模塊兼具與云端交互和指令發布的功能，是本套系統的核心組件，是智能分類垃圾箱得以運行的根本。互聯網通信模塊可通過與云端的交互獲得需要執行的指令，并可將指令發布到系統各個區域，再由各區域分別執行，從而指導垃圾箱完成相關功能。同時，通信模塊可將系統獲取到的信息發送到云端，通過云端對數據進行整合處理和發布等。

傳感組件負責對外界環境的感知和對外界信息的收集，是本套系統的“眼睛”所在。其由攝像頭和超聲波距離傳感器組成。傳感組件收集到的信息可發送給互聯網通信模塊進行處理。垃圾分類模塊由垃圾暫存組件和垃圾動力投放組件組成，是垃圾智能分類的“手臂”，擴展接口的設立主要是為了應對如今高速發展的社會，增加設備可持續利用年限，使本智能分類垃圾箱不至于被迅速淘汰。通過擴展接口，人們可以依據需要接入合適的傳感器或設備，為本套系統提供新的功能。

圖1 智能分類垃圾箱系統框架圖

3 智能分類垃圾箱系統執行方案

3.1 執行基本條件

當前，我國經濟發展尚未達到發達國家水平，但我國互聯網和物聯網卻居于世界前列，我國對垃圾箱的投入成本不可能過高。因此，本設計中的智能分類垃圾箱將復雜的處理計算程序置于云端服務器中進行，而作為客戶端的垃圾箱只需具備高速的通信能力和較簡單的代碼執行能力即可。

本文設計的智能分類垃圾箱需要對垃圾進行智能化分類，因此除了需要智能分類系統外，必須具有不同類型垃圾的儲存容器。但敞口的垃圾箱容易滋生細菌、散發臭氣，對過往行人造成不利影響，所以本設計采用封閉式分類垃圾存儲容器。同時，因為可以做到智能化垃圾分類，人們不必拘泥于現有分類方式，可依據實用性設立分類方法，如將垃圾分為宜焚燒垃圾、宜堆肥垃圾、宜其他處理垃圾。

3.2 執行步驟

當對智能分類垃圾箱供電后，垃圾箱將處于啟動休眠狀態，人們可以通過云端對部分或全部垃圾箱進行喚醒，喚醒后的垃圾箱所有部分將被激活啟動，具備了垃圾自動分類功能。

當行人從垃圾箱的投入口投入一件垃圾后，垃圾將首先通過投入口進入暫存區，然后迅速被攝像機捕獲，攝像機拍下照片后將照片傳給互聯網通信系統。聯網通信系統收到照片并對照片進行簡單處理，然后將之發送給云端服務器，隨后云端服務器采用圖像識別技術精準分析照片，并對垃圾進行適合于相應智能分類垃圾箱的分類，最后將分類結果通知垃圾箱。垃圾箱可根據收到的結果發布指令，指導垃圾動力投放組件運轉，將垃圾緩存組件中的垃圾投入對應的垃圾儲存容器中，這樣便實現了一次垃圾智能分類投放操作，垃圾投放完成后，進入空閑狀態的垃圾暫存區回到初始位置，以便接受下一次垃圾處理。

每次攝像機捕獲到垃圾投入時，系統通知超聲波距離傳感器獲取各垃圾儲存容器中垃圾含量，并將得到的數據通過互聯網通信模塊發送給云端服務器，云端服務器可將收集到的數據進行整合、統計、分析處理后，利用大數據手段，派送垃圾車以服務器計算得到的最優路線前往各垃圾箱處收集垃圾。另外，服務器還可利用各地區垃圾日投放量信息，優化城鎮垃圾箱設立數量和設立位置，使每一個垃圾箱都能充分利用，避免不必要的浪費。

3.3 垃圾處理系統

垃圾處理系統主要由紅外線測量模塊組成，利用紅外線傳播時的不擴散原理，紅外線在穿越其他物質時折射率很小，所以長距離的測距儀都會考慮紅外線，而紅外線的傳播是需要時間的，紅外線從測距儀發出后，碰到反射物被反射回來并被測距儀接收，再根據紅外線從發出到被接收的時間及紅外線的傳播速度計算出距離。依此原理，人們在垃圾儲存箱的頂部位置發射紅外線，當感應到垃圾高度接近箱體高度時，系統會發出信號，呼叫管理人員進行收集。

3.4 太陽能發電供能系統

太陽能光伏發電是指利用半導體、太陽能電池（也稱光伏電池）的光生伏特效應，直接將太陽能變成電能，它是一種零排放的清潔能源。太陽能光伏發電是太陽能利用的重要形式，是最具發展前景的發電技術之一。太陽能電磁板將光能轉換為電能，經過充電控制器、深循環蓄電池組、逆變器等處理輸出電流，再通過ACM 的體內電網為各耗能系統供能。

4 結語

對現有垃圾箱的改造是“一改而得萬利”之事，是造福社會的重要舉措。本文所設計的智能分類垃圾箱只是一個初步設想，人們還可在其上添加更多的功能，如可加入環衛APP 同步服務器數據，使環衛工人能夠獲取各智能分類垃圾箱中垃圾含量信息，從而提高環衛工作效率。同時，智能分類垃圾箱需要垃圾分類運輸車和垃圾分類收集中轉站配合才能完美發揮功能，因此對現有垃圾箱進行改造是一個龐大的工程，可以先在大城市試點后逐步推向全國。未來，“垃圾圍城”現象將不再出現，中國城市會逐步走向良性 循環。