具有人機交互功能的智能垃圾分類裝置的設計*

李學偉 ， 趙晨星 ， 寇 涵 ， 賈錫振 ， 孟昕元

（河南工學院智能工程學院，河南 新鄉 453003）

0 引言

據世行報告預測，隨著快速城市化、人口增長和經濟發展，全球垃圾量2030年將達到25.9億噸，2050年將達到34億噸[1]。近年來，越來越多的人開始關注垃圾分類，但情況依然嚴峻。為了解決日益嚴重的城市環境問題和資源有限的問題，垃圾分類顯得尤為重要[2]。國內外學者提出的方案多為末端回收方法的創新，前端收集依賴于人們的自覺性，垃圾分類效率很低，周期長，導致末端過程難度增大，解決垃圾分類前端問題對于垃圾分類現狀具有重要意義[3-4]。

我國城鎮人口中50%以上為上班族，隨著城市生活節奏的逐漸加快，大多上班族工作忙碌，早出晚歸，很難有時間對生活垃圾進行精細分類。第七次全國人口普查報告顯示，60歲及以上老年人口超2.64億[5]，老年人對垃圾分類接受較慢，有相當一部分難以完成對生活垃圾的分類。據世界衛生組織和《2006第二次全國殘疾人抽樣調查資料》統計數據，中國約有1 233萬盲人，占整個世界盲人數的20%，是全世界盲人最多的國家[6]。

為解決上述問題，針對老年人、上班族和盲人等群體設計了一種具有人機交互功能的智能垃圾分類裝置，通過語音辨識實現自主分類投放[7]，并具有滿載提醒和紅外殺菌等功能。該智能垃圾分類裝置很好地解決了垃圾分類的前端問題，幫助人們從源頭實施垃圾分類，且生產成本較低，目標人群明確，具有很高的實用價值。

1 系統總體方案設計

智能垃圾分類裝置采用和普通家電相同的220 V交流電源供電，其總體方案設計包括機械結構設計和控制系統設計兩大部分。其中，機械結構由開蓋裝置、云臺分類裝置、壓縮裝置三大部分構成，采用六邊形結構作為主體結構，兼具美觀和實用性，總體結構如圖1所示。控制系統設計主要包括投放檢測單元、語音辨識單元、滿載檢測單元、人機交互單元四大部分，選用了超聲波模塊、紅外檢測模塊、語音識別模塊、語音播報模塊和紫外線消毒燈來實現相關功能。

圖1 智能垃圾分類裝置三維模型圖

在電源被接通后，除開蓋裝置和投放檢測單元外，其他各單元均為休眠狀態。當垃圾投放人員靠近時，投放檢測單元控制開蓋裝置打開投放口并喚醒其他單元和裝置進入工作狀態。投放人員將垃圾投入投放口并說出垃圾名稱，語音辨識單元識別成功后，控制云臺將垃圾投放至對應容器內，若識別不成功則人機交互單元提醒投放人員重新口述垃圾名稱或垃圾種類。投放成功后容器對應區域的綠色指示燈亮3 s，同時人機交互單元播報語音信息提示分類結果。一次投放結束后，20 s內無二次投放則關閉投放口，重新進入待機狀態。紫外線燈每72 h亮30 min殺菌一次，殺菌過程中當有使用者靠近時，人機交互系統播報語音提醒使用者遠離，待殺菌結束后再進行投放。

2 機械結構設計

智能垃圾分類裝置的機械結構設計融入了人性化設計理念，桶體采用六邊形作為主體結構，桶體上方設有唯一投放口，六塊區域分別為四類垃圾存放容器、壓縮過的易拉罐存放容器和集成控制箱，每個存放容器均設置拉環，可以拉出加裝常用家庭垃圾袋，方便垃圾的移除和垃圾袋的更換。各部分結構對應位置如圖2所示。

圖2 智能垃圾分類裝置剖面圖

云臺分類裝置位于容器內，是整個智能垃圾分類裝置的核心結構，由收集斗和二軸云臺組成。二軸云臺由兩個數字舵機驅動，兩個自由度分別繞X軸和Z軸旋轉，如圖3所示。控制收集斗繞Z軸旋轉的舵機選用270°數字舵機，可以保障旋轉角度覆蓋四個普通存放容器和一個易拉罐存放容器。控制收集斗繞X軸翻轉的舵機選用20 kg大扭矩數字舵機，配合金屬擺臂，使收集斗所能承受的垃圾重量達到最大限度，增強裝置整體的環境適應性。

圖3 云臺分類裝置三維模型圖

3 控制系統設計

控制系統選用基于ATMEGA328P-AU芯片的Arduino NANO作為主控制器，該主控芯片采用了先進的RISC體系結構，工作溫度在-40 ℃～85 ℃，可以滿足使用要求。為避免控制系統受到電源電壓波動的干擾，該裝置采用了雙電源供電方案，將控制系統電源和驅動裝置電源分開，并整流濾波使電壓穩定，極大地提高了系統的整體穩定性，控制系統結構圖如圖4所示。

圖4 控制系統關系結構框圖

3.1 投放檢測單元

該裝置選用低成本、低功耗的HC-SR04超聲波模塊作為投放檢測單元的前端傳感器。通過I/O口TRIG觸發測距后，模塊自動發送40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回。當有信號返回時，I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間T，通過公式d=(T*c)/2計算出距離，c為聲速，取340 m/s[8]。該模塊測量精度可達0.2 cm，測量距離為2 cm～450 cm，符合設計需要。上電后觸發檢測，當檢測到距離容器前方20 cm內有人員進入時，喚醒其他單元，投放口打開，垃圾箱進入工作狀態，等待投放者投入垃圾和口述垃圾名稱。

3.2 語音辨識單元

語音辨識單元采用LD3320芯片的語音識別模塊，該芯片采用“關鍵詞語列表”（Auto Speech Rec?ognition，ASR）[9]的識別技術來實現語音識別。芯片能存儲50條關鍵詞語句，關鍵詞語長度最大可達9個中文字，每個中文字用其對應的拼音表示[10]，樣例如表1所示。因此，該裝置語音辨識單元設置1個喚醒詞關鍵詞、4個垃圾類別關鍵詞和45個常用生活垃圾名稱關鍵詞，覆蓋了基本的四類垃圾種類名稱和99%以上的生活垃圾名稱。

表1 LD3320寫入識別列表樣例

3.3 滿載檢測單元

滿載檢測單元采用對環境光線適應能力強的紅外傳感器模塊，有效測量距離為2 cm～30 cm，檢測角度35°。其具有一對發射二極管與接收二極管，發射二極管發射出一定頻率的紅外線，經過物體反射后接收二極管接收，經過比較電路處理后通過信號輸出口輸出數字信號。上電觸發一次檢測，當桶內垃圾數量超過該桶的80%時，達到設定高度，傳感器輸出一個數字信號給主控制器，主控制器控制人機交互系統發出提示使用者存放桶已滿的聲音信號和燈光信號。

3.4 人機交互單元

人機交互單元采用LED指示燈顯示和語音播報模塊播報兩種方式給使用者傳遞反饋信息，兼具了低成本和實用性，讓盲人群體也可以無障礙使用。正常工作狀態時，若滿載檢測單元檢測到桶滿，則紅色LED燈亮，同時語音播報模塊播報“X號桶已滿，請清理”；語音辨識單元成功識別垃圾種類并由云臺分類裝置成功將其投放后綠色LED燈亮3 s，同時語音播報模塊播報“投放成功”。若語音辨識單元識別不成功，立即播報“請重新說出垃圾名稱”。進入工作狀態，桶蓋打開時，語音播報模塊發出“桶蓋已開，請投放”的語音提示。在殺菌狀態時，紅色LED和綠色LED交替閃爍，警示提醒使用者請勿靠近，檢測到有使用者靠近時，語音播報模塊播報“正在殺菌，請勿靠近”，防止使用者在殺菌時因投放垃圾或打開箱體被紫外線灼傷。

4 控制系統設計

該智能垃圾分類裝置在完成各功能方案設計后，按照1∶1比例搭建了實驗樣機，如圖5所示。搭建完成后進行了聯機調試和實驗驗證，重點測試了識別投放精準度。

圖5 實驗樣機實物圖

根據對實驗樣機進行性能測試，可以得出如下結果：

1）該智能垃圾分類裝置，在口述垃圾名稱后一次成功率可達到98%，二次識別成功率達100%，超出平均水平，可以滿足使用需求。如表2所示。

表2 實驗數據匯總表

2）實驗樣機總制作成本為226元，如批量生產，價格將進一步降低，在小型家用電器平均成本以下，僅比市面上普通（無識別分類功能）的智能垃圾分類裝置高出100元，容納量為普通垃圾桶的4倍。如表3所示。

表3 實驗樣機成本核算表

5 總結

綜上所述，該具有人機交互功能的智能垃圾分類裝置有適用人群廣、成本低、操作簡單、智能化程度高等優點。設計極大地考慮到了使用者的用戶體驗，滿足了上班族、老人、盲人等不同用戶群體的需求，實現了快速自動完成垃圾分類和投放，是垃圾分類前端收集裝置的一次創新性設計。