無接觸式智能打包垃圾桶設計

李世龍，姚 嘉，廖一波，梁榮智，覃維倫

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541000）

0 引言

隨著人們對美好生活的要求日益增加，普通的公共垃圾箱已經(jīng)不能滿足對健康與清潔的要求。縱觀國內(nèi)外，家用室內(nèi)垃圾箱已經(jīng)基本實現(xiàn)了智能化，比如感應開蓋、觸摸開蓋、踩踏開蓋等。互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使智能家居逐漸不再遙遠，各種家用電器包括垃圾箱在內(nèi)的設施逐漸演化成為一體化控制。

但是公共垃圾設施卻依舊是最古老的形式，在城市的形象中，它們總會被人們貼上“臟亂差”的標簽。室外公共垃圾桶設計并沒有向智能化發(fā)展的趨勢，且室外的環(huán)境較為惡劣，電力的供應也是一大問題。上述種種原因?qū)е铝酥悄芑盁o法在室外的公共區(qū)域投放及使用。對此，需研究開發(fā)一種新型的智能化公共垃圾箱，將醫(yī)院、小區(qū)、高鐵站、地鐵站、學校等人口密度高、人流量大的地區(qū)設為目標場景，實現(xiàn)垃圾的無接觸式投放，垃圾袋自動打包與智能化的分類管理。

設計與現(xiàn)有產(chǎn)品比較優(yōu)勢如下：（1）本產(chǎn)品不需要購買一次性垃圾袋適配盒，只需特定的長筒型壓縮垃圾袋即可；（2）本產(chǎn)品的自動打包功能可實現(xiàn)循環(huán)工作，當垃圾袋用盡后只需對垃圾袋進行更換；（3）太陽能儲能機構(gòu)保證產(chǎn)品戶外使用的能源供給；（4）模塊化設計便于后期的拆卸及維修。

1 垃圾箱整體布局

垃圾箱的總體結(jié)構(gòu)包括總箱體（內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)）、垃圾袋盒、液晶顯示屏、太陽能供電模塊、電機驅(qū)動的絲杠熱封裝置、機械手、舵機、聲控芯片與人體熱感應裝置等。另外也可以包括一些其他的公共設施組件：照明燈，酒精噴霧消毒器，紫外線殺菌處理裝置等。控制機構(gòu)將Arduino Mega2560和Arduino Uno作為主控芯片，在保證穩(wěn)定控制的前提下降低主控板的使用成本與消耗成本，使各個模塊相互協(xié)調(diào)作用，完成各機構(gòu)運動控制。圖1為垃圾桶整體結(jié)構(gòu)示意圖。

本設計的基本工作原理：聲控機構(gòu)與人體熱感應機構(gòu)配合實現(xiàn)無接觸自動開蓋并有效防止誤開蓋操作；電機控制頂部絲杠的旋轉(zhuǎn)從而使帶有熱封條的長桿互相靠近，實現(xiàn)對垃圾袋口的擠壓與熔化，完成垃圾袋裝滿后的熱封打包；箱體設置為內(nèi)外層兩層結(jié)構(gòu)使內(nèi)層箱體可以導出方便垃圾袋的移除；電機控制內(nèi)層箱體內(nèi)部的絲杠旋轉(zhuǎn)使機械手縱向移動，機械手內(nèi)部舵機使其實現(xiàn)夾取動作，以上兩部分的配合完成垃圾袋的拖拽。

圖1 垃圾桶整體圖

2 具體功能實現(xiàn)方案

2.1 自動開蓋功能

為了實現(xiàn)垃圾箱的全程無接觸，產(chǎn)品采用語音識別芯片LD3320和非特定語音識別算法對于控制語音命令進行識別，實現(xiàn)對于垃圾桶的智能化語音識別控制，完成遠距離非接觸式智能開閉和系統(tǒng)運動的功能[1]。考慮到一些特殊公共環(huán)境的嘈雜程度較高，采用HC-SR501人體熱感應裝置作為無接觸開蓋的備選方案，此熱感應模塊通過主控芯片無接觸控制箱體頂蓋的開合與內(nèi)層箱體的導出，當語音模組無法正確識別時便采取熱感應的備選方案以實現(xiàn)自動開蓋。自動開蓋機構(gòu)如圖2。

圖2 自動開蓋機構(gòu)圖

2.2 自動打包功能

現(xiàn)有的家庭智能垃圾桶的垃圾袋需要一個適配盒，每個適配盒只能裝大約四十到六十個垃圾袋，適配盒屬于一次性用品。針對此問題，設計出可以循環(huán)使用的適配盒，盒底采用半開放的彈簧結(jié)構(gòu)，工作中利用機械手絲杠的配合機構(gòu)將其拉至內(nèi)部箱體底部，內(nèi)層箱體頂部的絲杠熱封機構(gòu)將拉伸的垃圾袋熔斷并封口，之后再由機械手將其拉至底部，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)上的多次循環(huán)，垃圾袋拖拽機構(gòu)如圖3。

圖3 垃圾袋拖拽機構(gòu)圖

3 控制功能實現(xiàn)方案

3.1 語音模塊控制

產(chǎn)品設置語音模塊控制垃圾桶的開關(guān)，主控芯片與LD3320實現(xiàn)通訊，在程序中運用二級語音詞條，保證工作期間不受外界雜音的干擾，當用戶向語音識別模塊發(fā)出一級指令時，該模塊會被喚醒，并等待接收用戶發(fā)出的二級指令即垃圾名稱。當接收到二級指令后，會把信息通過串口通信發(fā)送給單片機[2]。設定的開啟時間定為五秒確保正常的垃圾投擲。在程序運行中屏幕會顯示提示信息。具體流程如圖4。

圖4 語音功能流程圖

3.2 自動打包控制

自動打包控制子系統(tǒng)中，繼電器觸點的開閉決定電熱絲電源、電熱絲、繼電器所組成回路的開閉，進而控制電熱絲是否加熱[3]。自動打包具體流程圖如圖5。封口所用電熱絲的材質(zhì)為鎳鉻合金電熱絲。

圖5 自動打包流程圖

4 控制功能調(diào)試及實驗

4.1 語音識別功能

根據(jù)所使用的LD3320模塊具有的功能進行詞條穩(wěn)定性的實驗，在代碼中分別設置一級詞條，二級詞條與三級詞條，依次燒錄進單片機中進行實驗，分析三者的優(yōu)劣，選擇最優(yōu)方案。

一級詞條：單片機只需識別單個詞條便可做出響應，速度快，但在復雜的環(huán)境下容易出現(xiàn)某個相似的名詞使單片機誤判。

二級詞條：單片機識別第一個名詞后給出響應但不工作，再次識別第二個名詞后單片機接受信號開始工作，穩(wěn)定性相比于一級詞條大幅度提高，但操作較為復雜，工作反應時間較長。

三級詞條：需要依次說出三個名詞并且單片機都成功識別后才可工作，穩(wěn)定性在三者中最高，不易出錯，但反應時間長，效率極低，操作復雜，不方便使用。

結(jié)論：選擇第二個方案作為垃圾桶語音識別的控制代碼。在較為便捷的使用過程中保證了一定的穩(wěn)定性。

4.2 溫度感應功能

溫度感應裝置的靈敏度是影響溫度感應功能的主要因素，設置的靈敏度過高會使裝置在檢測到遠距離人體信號時做出響應，而過低則會使其無法做出響應。因此需要調(diào)節(jié)合適的靈敏度使響應距離保持在30 cm左右。五個靈敏度梯度用數(shù)字表示，實驗結(jié)果見表1。

表1 溫度靈敏度實驗表

4.3 絲杠轉(zhuǎn)速對垃圾袋口壓縮程度的影響

全速：無法完成壓縮工作，垃圾袋口易脫落。

半速：壓縮很快但實驗中有百分之七十的概率會使垃圾袋口脫落。

1/4速：壓縮比較穩(wěn)定，效率高。實驗中沒有出現(xiàn)垃圾袋口脫落的情況但速度較慢。

1/8速：壓縮效果最為穩(wěn)定但壓縮極慢，效率低。

結(jié)論：1/8速的效果最好，但是在實際應用中等待時間太長，效率低，不與采用；1/4速相比于1/8速的壓縮效果較差，但也可以滿足實際使用的需求，且等待時間短，比較符合預期，故采用。

5 結(jié)論

無接觸式智能垃圾桶的設計符合國家公共衛(wèi)生建設方向，適用于大多數(shù)室外環(huán)境，無接觸式設計可以有效減少細菌病毒的傳播。采用模塊化的方式進行功能部件的設計，便于產(chǎn)品組裝與后期的拆卸與維修。主控芯片的穩(wěn)定信號傳輸保證了各個機構(gòu)的協(xié)調(diào)配合，共同完成一系列復雜的任務。產(chǎn)品的應用前景好，可以提高城市公共場所的容貌，為城市清潔帶來便利。