基于物聯網的智能垃圾回收裝置設計與實現

王語琦 楊傲冉 楊梓欣 陸雪 夏羽妍

【摘? 要】 文章基于推廣垃圾分類的政策背景，結合市場需求，利用技術支持，自主設計、研發出具有感應和圖像采集、垃圾識別、分類處理、溢滿和語音播報功能的智能分類垃圾桶。該裝置以樹莓派開發板為核心，集成太陽能電池板、紅外感應器、舵機、托盤、超聲波傳感器和箱體等硬件。各部件之間有所聯系、相互配合，最大限度地實現了垃圾處理的便捷化、智能化。

【關鍵詞】 智能分類垃圾桶；垃圾分類政策；Arduino傳感器；樹莓派開發板

垃圾分類是當前社會關注的熱點話題，目前，我國有將近三分之二的城市面臨著“垃圾圍城”、垃圾處理投入過大等問題。

2020年，我國開始逐步推廣垃圾分類政策，選出了46個重點城市開展垃圾分類，并要求各地基本建成垃圾分類處理系統。自2019年7月起，上海市政府率先“領跑”，在全國首先開展垃圾分類，并支持垃圾分類的設施建設和技術提升。2021年，全國300多個地級以上城市、5000多個街道和10萬個以上的社區，已全面推行了生活垃圾分類制度，市場消費規模達1.3萬億。如果以智能垃圾分類設備為社區的切入口，將獲得高頻的使用黏性、垂直用戶和私域流量，市場前景廣闊。

基于以上社會現狀，本研究設計了一款以前端投遞便捷化、中端分類資源化、后端處理高效化和垃圾分類全民化為目標，具有感應和圖像采集、垃圾識別、分類處理、溢滿和語音播報功能的智能分類垃圾桶。該裝置主要面向家庭住戶市場，旨在進一步改善居民垃圾分類的困境，提高資源的利用率，共建良性的生態系統。

一、智能垃圾回收裝置的總體設計與實現

智能分類垃圾桶包含了硬件和軟件兩大系統。硬件系統包括樹莓派開發板、USB攝像頭、紅外感應器、舵機、托盤、超聲波傳感器和箱體等。垃圾桶的上層為技術核心部分，負責感應識別，與垃圾桶的中層、下層協調配合，共同處理垃圾，實現了垃圾的智能自動分類，如圖1所示。

軟件系統分為感應和圖像采集系統、垃圾識別系統、分類處理系統、溢滿和語音播報系統。其中垃圾識別系統是智能垃圾桶實現分類功能的核心。當USB攝像頭拍攝了垃圾圖像后，會將圖像信息傳送至Arduino傳感器，Arduino傳感器先對信息進行初步的分析解讀，再將所有的數據信息發送至樹莓派管理系統。樹莓派系統將接收的圖像信息與數據庫中的相關信息進行匹配，再將分類信息發送至Arduino傳感器，Arduino傳感器帶動舵機轉動，實現垃圾分類。

二、智能分類垃圾桶硬件系統的設計與實現

智能分類垃圾桶的硬件端包括樹莓派開發板、USB攝像頭、太陽能電池板、紅外感應器、舵機、托盤、超聲波傳感器和箱體等。各部件之間的功能都具有依存關系和主次關系，以實現多功能的配合，并完成指令。如先由攝像頭進行拍照，智能垃圾桶進行智能識別后，確定垃圾的種類，再進行分類處理，投放垃圾到相應的箱體。

（一）上層硬件設計

垃圾桶的上層硬件主要有樹莓派開發板、超聲波傳感器、USB攝像頭、LED燈、太陽能電池板、超聲波傳感器和紅外探測儀等。其中樹莓派開發板為智能垃圾桶的技術核心部分，負責感應識別，并與垃圾桶的中層、下層協調配合，共同處理垃圾，實現垃圾的智能自動分類，如圖2所示。

1. 主控制器

樹莓派開發板作為主控制器，是硬件設計的核心部分，可以在USB攝像頭拍攝圖片后，處理圖像信息。樹莓派和Arduino傳感器主要通過串口進行通信，首先Arduino傳感器接收由樹莓派處理、分析的圖像信息結果；然后樹莓派將圖像存放在數據信息庫中進行比對，并將比對結果交給Arduino傳感器處理；最后Arduino傳感器給舵機輸出一個PWM信號，驅動舵機轉動一定的角度，通過程序設定復位舵機，由此垃圾的分類流程基本完成。

2. 超聲波傳感器

超聲波傳感器通過感應處理系統判斷垃圾的總量。通過超聲波感應檢測，超聲波傳感器可以判斷垃圾桶中的垃圾是否為溢滿狀態。在用戶每次投放垃圾之前，傳感器都能進行及時的判斷，行使檢測感應功能。

3. USB攝像頭

該裝置使用的攝像頭帶有USB接口，具有良好的兼容性，采用了超高清對焦攝像鏡頭，可360度自由旋轉，機身輕量化、易于旋轉，可以及時地記錄垃圾圖像。

4. 太陽能電池板

太陽能電池板為多晶硅太陽能電池板，轉換效率≧20%。智能垃圾桶本身攜帶的太陽能電池板提供主要能量，基本無需用戶再進行充電。

（二）中層硬件設計

智能垃圾桶的中層硬件包括Arduino傳感器、舵機模塊和溢滿提示模塊。

1. Arduino傳感器

Arduino傳感器負責接收樹莓派系統反饋的圖像信息，控制舵機的運行，以此指派垃圾投入對應的箱體中。Arduino傳感器是實現垃圾分類的關鍵部分，連接著決策端的樹莓派和執行端的舵機箱體。

2. 舵機模塊

舵機模塊包括舵機和托盤，主要使用兩個舵機控制托盤的左右和上下移動：通過左右移動，將垃圾運載到相應的箱體上方；通過上下移動傾倒垃圾，實現自動、精準地投放垃圾。舵機在工作的過程中，主要負責托盤的移動和開合。

3. 溢滿提示模塊

溢滿提示模塊包括超聲波傳感器、LED燈和揚聲器。超聲波傳感器內置于托盤底部，用于判斷桶內的垃圾是否溢滿。當托盤每次左右移動時，超聲波傳感器會向箱體的內部發出聲波，以判斷該箱體的狀態，如滿、空或半滿。當超聲波傳感器監測到垃圾溢滿時，會激發溢滿警報，此時LED燈亮起紅色，揚聲器發出語音播報。

（三）下層硬件設計

智能垃圾桶的下層硬件包括4個箱體，分別為有害垃圾箱體、可回收垃圾箱體、干垃圾箱體和濕垃圾箱體。

三、軟件系統的設計與實現

在該智能垃圾裝置的軟件系統方面，設計集成了下述系統：

（一）感應和圖像采集系統

感應和圖像采集系統的運作流程設計：先建立垃圾圖片信息庫，對數據進行初步分類，再將數據上傳到智能垃圾桶的數據庫中，并對數據進行深度計算和分析，形成數據文件和垃圾分類圖像模型文件。當用戶靠近垃圾桶時，紅外感應器將感應到人體發射的紅外線，并向Arduino傳感器發出信號，Arduino傳感器做出響應，驅動舵機，轉動帶動感應門，垃圾桶蓋打開，用戶投放垃圾。同時智能垃圾桶設置有自動感應開關、手動、腳踏的開蓋功能，確保這三種方式都能打開垃圾桶的上蓋。當垃圾進入拍照區時，感應和圖像采集系統將啟動自由旋轉的USB攝像頭拍攝垃圾圖像，將采集的圖像處理、量化為數字信號，并發送到垃圾識別系統。感應和圖像采集系統的運行流程如圖3所示。

（二）垃圾識別系統

垃圾識別系統是智能垃圾桶實現分類功能的核心。USB攝像頭在拍攝了垃圾圖像后，將圖像信息傳送至Arduino傳感器，Arduino傳感器先對信息進行初步的分析解讀，再將所有數據的信息發送至樹莓派管理系統。樹莓派將接收的圖像信息與數據庫的相關信息進行匹配，實現垃圾鑒別。如果垃圾不能被正確標識出，智能垃圾桶系統會發出警告聲音，表明無法標識，并要求人工重新設置該垃圾的類別，一旦分析出正確的垃圾類別，即可啟用分類處理系統。垃圾識別流程如圖4所示。

（三）分類處理系統

分類處理系統由箱體、樹莓派、舵機和隔板等組成。為了提高垃圾信息識別的準確率和效率，本研究還在箱體內安裝了LED燈帶，用于改善箱體內的照明情況，便于使用者在陰暗環境或夜間場所快速識別出該垃圾桶，燈帶也可以作為光源外附在垃圾桶上進行廣告宣傳。分類處理系統識別了垃圾信息后，由智能垃圾桶對Arduino開發板發出相關指令，打開對應的垃圾艙門，并控制舵機將垃圾放入對應的垃圾桶，由此實現垃圾的自動分類。

（四）溢滿和語言播報系統

溢滿和語言播報系統通過位于托盤下方的超聲波傳感器來確定箱體是否溢滿，在每次投放垃圾前，相應的傳感器都會提前檢測箱體的狀態，如果溢滿，該系統會進行語音播報，提示用戶無法投放垃圾，必須先傾倒垃圾桶。該語音播報功能由電子自動發聲讀音器實現，讀音器的放大電路采用了運算放大集成模塊，可以保證其結構簡單、音色清晰，便于為用戶提供精準、清晰的結果。

四、結語

本研究設計的智能分類垃圾桶彌補了市場的空缺，滿足了不同用戶的需求。該裝置預想的受眾主要以家庭為單位，屬于小型分類垃圾桶，普及了垃圾分類，增強了用戶的環保意識，解決了因標準繁多造成的垃圾分類困難。鑒于各個地區的垃圾分類方式和標準有所不同，該產品將客戶群體按地區進行分類，并提供相應的地區垃圾分類服務。

該裝置以太陽能板為電力來源，減少了電力負擔，更環保節約，契合了綠色發展的理念。考慮到天氣情況等綜合因素，智能分類垃圾桶將自動充滿電量，以實現持續、穩定的工作，確保續航持久，減少了電力不足的情況。

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