基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾分類機器人設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：目前，垃圾回收系統(tǒng)仍然依賴于人工進(jìn)行垃圾的分揀、回收、利用和統(tǒng)計，存在效率低、損耗大等問題，亟須技術(shù)創(chuàng)新來節(jié)省人力資源。得益于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，智能化、自動化的垃圾處理成為可能。設(shè)計了一款新型智能垃圾分類機器人，旨在提高垃圾收集、分類、處理和回收的效率，減少資源消耗和能源消耗，優(yōu)化垃圾處理流程，并提升居民的環(huán)保意識和參與度。同時，通過云平臺實時監(jiān)控垃圾桶的充盈度，進(jìn)一步提高城市垃圾處理的智能化水平，最終實現(xiàn)城市環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能機器人；垃圾分類；云平臺

中圖分類號：TP242.6；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著人們生活水平的提高，產(chǎn)生的垃圾也日益增多，大多數(shù)垃圾難以自然分解，會釋放大量的有毒物質(zhì)[1]，給土壤及生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降。開展垃圾分類管理能減少環(huán)衛(wèi)工人處理垃圾的數(shù)量，不僅能減少垃圾對土壤的危害，同時還能節(jié)省寶貴的人力資源。

自黨的二十大報告提出“推動綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生”以來，人們對于環(huán)境保護的需求日益增強。中國生活垃圾量的增長是智能垃圾行業(yè)市場規(guī)模增長的主要驅(qū)動力，垃圾分類推行政策與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展為智能垃圾分類行業(yè)提供增長基礎(chǔ)[2]。同時，通過對可回收垃圾進(jìn)行精細(xì)分類，可以將其轉(zhuǎn)化為有價值的資源，減少對土壤的危害，推動循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展[3]。此外，基于市面?zhèn)鹘y(tǒng)垃圾桶存在的難以分類、手動開合、操控不便和垃圾分類不便捷等問題，本文提出了一種解決方案。

本文設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾分類機器人，該機器人集成了深度學(xué)習(xí)和語音識別模塊，實現(xiàn)人機交互功能，通過云平臺對垃圾桶進(jìn)行監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理，并將垃圾桶內(nèi)情況實時傳輸至云端。用戶可通過手機應(yīng)用程序或者云平臺進(jìn)行查看和控制垃圾桶的狀態(tài)。這款機器人可為市容市貌維護服務(wù)企業(yè)、資源管理部門、環(huán)保部門提供高效的垃圾智能分類解決方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾分類機器人設(shè)計包含硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分。硬件設(shè)計主要實現(xiàn)的功能是完成機械操作，驅(qū)動語音識別、紅外對管等模塊執(zhí)行相應(yīng)的動作，以實現(xiàn)垃圾桶自動開合和語音播報。軟件設(shè)計實現(xiàn)的功能是開展相應(yīng)的聯(lián)網(wǎng)通信、實時監(jiān)測，同時能夠控制硬件板塊完成相應(yīng)的動作，并與云平臺進(jìn)行交互[4]。此外，云平臺還具有系統(tǒng)后臺匯集信息的功能，形成數(shù)據(jù)庫，掌握分布在各地區(qū)的垃圾桶的充盈度情況和分類回收的品種數(shù)量，方便居民投放，有利于后期管理[5]。

硬件系統(tǒng)由主控制器、語音識別模塊、紅外對管模塊、Wi-Fi 模塊、藍(lán)牙模塊、舵機模塊、手機應(yīng)用程序和云平臺組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制器

主控制器采用高性能的微控制器STM32F411RET6，它具有出色的性能和豐富的外設(shè)，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，該微控制器運行頻率高達(dá)100 MHz，具有浮點運算單元，能夠提供優(yōu)異的計算性能。由于其具有極高的工作頻率和12 個16位定時器，因此垃圾分類機器人能夠高速實現(xiàn)語音識別等功能[5]。

STM32F411RET6 還配備了豐富的存儲器資源，包括512 kB 的閃存和128 kB 的靜態(tài)隨機存儲器，這些資源不僅能滿足復(fù)雜應(yīng)用程序的存儲需求，還可以在本地存儲垃圾桶充盈度監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)這些資源通過網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)后臺匯集后，以此形成數(shù)據(jù)庫，便于系統(tǒng)管理者掌握各地區(qū)垃圾分類的相關(guān)情況和分類回收的品種數(shù)量，也方便居民投放，有利于后期的社區(qū)管理[5]。

2.2 語音識別模塊

LU-ASR01 語音識別模塊是一種專門用于將語音信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并進(jìn)行實時語音識別的模塊。STM32F411RET6 可以作為LU-ASR01 語音識別模塊的主控制器，通過外部中斷或定時器等功能，實現(xiàn)語音信號的采集和處理，然后將采集的語音信號傳遞給LU-ASR01 模塊進(jìn)行語音識別，該模塊將識別后的結(jié)果通過串口與主控制器進(jìn)行通信，以告知主控制器進(jìn)行相應(yīng)操作。

該語音識別模塊因其可拓展性強、易于集成的特點，為嵌入式系統(tǒng)提供了更加智能的交互方式。

2.3 紅外對管模塊

紅外對管模塊是一種集成了紅外接收器和解碼器的模塊，用于接收來自紅外遙控器等設(shè)備發(fā)出的紅外信號，并將其解碼為可處理的電信號。它通常由紅外接收頭、信號放大電路和解碼電路等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對紅外信號的接收、解析和反饋。它廣泛應(yīng)用于自動化設(shè)備中，如自動門禁系統(tǒng)和自動售貨機等。通過接收紅外信號，實現(xiàn)設(shè)備的自動開啟、關(guān)閉、識別等功能，提升設(shè)備的智能化水平和便利程度。

本文采用4 個垃圾桶盛裝不同類型的垃圾，每個垃圾桶都配備了紅外發(fā)射接收對管，可以較為便利地檢測垃圾桶內(nèi)的垃圾是否裝滿。具體來說，每次垃圾投入時，紅外發(fā)射接收對管電路都會檢測到一次信號改變。而每次垃圾投入后，相應(yīng)的數(shù)據(jù)都將被發(fā)送到主控芯片，再由Wi-Fi 模塊將這些數(shù)據(jù)上傳到云平臺并且進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，直到檢測到垃圾桶滿溢。

2.4 Wi-Fi 模塊和藍(lán)牙模塊

ESP8266 是一款超低功耗的Wi-Fi 模塊，可將用戶的物理設(shè)備連接至Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能[6]。

通過Wi-Fi 模塊與主控制器和云平臺的連接，實現(xiàn)對垃圾桶的控制。Wi-Fi 模塊先接收云平臺發(fā)送的命令，再通過串口與主控制器進(jìn)行通信。當(dāng)主控制器接收到來自Wi-Fi 模塊的信息后，立即執(zhí)行相應(yīng)操作，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

同時，Wi-Fi 模塊還可以實現(xiàn)將垃圾桶的滿溢情況等信息上傳至云平臺。具體來說，主控制器負(fù)責(zé)接收來自紅外對管的狀態(tài)數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為JavaScript 對象表示（JavaScript object notation，JSON）格式，再通過串口發(fā)送給Wi-Fi 模塊，最后由該模塊通過消息隊列遙測傳輸（message queuingtelemetry transport，MQTT）協(xié)議將垃圾桶是否裝滿的數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺。

除了Wi-Fi 模塊以外，HC-05 藍(lán)牙串口通信模塊也用于智能終端，如手機通信。它具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式。本文采用藍(lán)牙模塊先進(jìn)入命令響應(yīng)工作模式，此時模塊上電后進(jìn)入AT（attention）模式，可以直接發(fā)送AT 指令[7]，在AT 指令的指揮下，藍(lán)牙模塊直接進(jìn)入自動連接工作模式，然后藍(lán)牙模塊將與手機應(yīng)用進(jìn)行連接，建立云平臺與手機應(yīng)用程序間的通信鏈路，方便數(shù)據(jù)雙向傳輸。

2.5 手機應(yīng)用程序

為了更好地體現(xiàn)人機互動和智能化，本文自主設(shè)計了一款手機應(yīng)用程序，它與云平臺進(jìn)行交互，為用戶后續(xù)調(diào)試和使用提供了極大的便利[8]，且具有終端控制和數(shù)據(jù)收集的功能。

如圖2 所示，手機應(yīng)用程序具有友好的智能界面，其提供了“首頁”“指南”“設(shè)置”3 個按鈕。在“首頁”中點擊“連接設(shè)備”可以連接云平臺。當(dāng)智能垃圾桶連接成功后，通過點擊4 種不同垃圾分類的按鈕，可以使用手機智能終端控制垃圾桶；通過點擊“指南”按鈕，則可進(jìn)入“垃圾分類指南”頁面，以網(wǎng)頁的形式顯示該垃圾分類指南內(nèi)容，指導(dǎo)中老年人如何分類投放垃圾；通過點擊“設(shè)置”按鈕，可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)置。

實際上，垃圾桶的充盈度顯示與報警功能也能在該智能終端體現(xiàn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)置正確，且手機終端與云平臺成功連接時，智能終端能夠?qū)崟r監(jiān)測垃圾桶的充盈度，并且在手機應(yīng)用程序端和云平臺實時顯示，在出現(xiàn)異常時向用戶發(fā)送報警信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要程序是將生活中的垃圾劃分為不同的類型，主要包括可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾和其他垃圾。在垃圾桶使用過程中，智能垃圾桶通過Wi-Fi 模塊自動連接可用網(wǎng)絡(luò)。在垃圾分類過程中，用戶可以通過語音喚醒垃圾桶，即說出該垃圾的名稱，垃圾桶自動打開相應(yīng)類型垃圾桶的桶蓋，進(jìn)行垃圾分類和投放，并告知用戶該垃圾所屬的類型。

當(dāng)垃圾入桶后，由紅外對管模塊檢測垃圾桶中垃圾數(shù)量，將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至云平臺，用戶可在手機應(yīng)用程序端查看。若檢測到垃圾桶中垃圾已滿，則通知用戶對相應(yīng)垃圾桶進(jìn)行清理。此外，垃圾桶還能通過手機應(yīng)用程序來控制，使用手機即可直接控制各個垃圾桶桶蓋的開合，以便進(jìn)行分類和投放。主程序流程如圖3 所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

如圖4 所示，本文搭建了一套智能垃圾分類機器人實物，并且經(jīng)過反復(fù)實驗和不斷調(diào)試，最終達(dá)到了預(yù)想的效果。垃圾桶通電后，系統(tǒng)語音提示“歡迎使用用芯應(yīng)隊智能垃圾桶，請說‘小鹿同學(xué)’喚醒我”，當(dāng)接收到語音喚醒指令后，垃圾桶便會打開。

為了驗證本文設(shè)計垃圾桶的功能，分別記錄了手機應(yīng)用程序控制檢測、語音識別檢測、云平臺容量檢測全過程。

4.1 手機應(yīng)用程序控制檢測

垃圾桶共有4 種類型，分別用于回收可回收垃圾、其他垃圾、廚余垃圾和有害垃圾。用戶可通過手機應(yīng)用程序端自由控制各個垃圾桶的開合，并實時監(jiān)控它們的狀態(tài)。

4.2 語音識別檢測

語音識別模塊可以幫助用戶正確識別垃圾種類，當(dāng)用戶說出垃圾的名稱時，該模塊會根據(jù)語音識別的結(jié)果，通過云平臺大數(shù)據(jù)中心對該垃圾類型進(jìn)行查詢，并且自動打開相對應(yīng)的垃圾桶。例如，當(dāng)語音模塊接收到“可回收垃圾”的語音指令時，通過控制相應(yīng)舵機旋轉(zhuǎn)打開可回收垃圾桶桶蓋，并語音播報“可回收垃圾桶已打開”；當(dāng)語音模塊接收到“塑料瓶”“金屬”等可回收垃圾的聲音時，會自動打開相對應(yīng)的垃圾桶，還可以語音告知用戶該垃圾類型為“可回收垃圾”，其他3 種垃圾桶工作情況也相同。

若所有垃圾桶均未接收到語音指令，30 s 后，垃圾桶則進(jìn)入待機狀態(tài)，并語音提示“我退下了，請說‘小鹿同學(xué)’喚醒我”，用戶通過說出該喚醒詞即可重新啟動垃圾桶。

4.3 云平臺容量監(jiān)測

在使用語音打開桶蓋并投放垃圾后，延時3 s，舵機反向轉(zhuǎn)動，關(guān)閉桶蓋，同時，紅外對管模塊將監(jiān)測垃圾桶內(nèi)的充盈度（圖5）。若垃圾桶已滿則發(fā)出警報信號至手機應(yīng)用程序、云平臺，通知用戶對垃圾桶進(jìn)行及時清理。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一個智能垃圾分類的嵌入式集成系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了各個模塊的設(shè)計原理，并實現(xiàn)了預(yù)期功能。系統(tǒng)可以通過專屬的語音指令來打開垃圾桶，并反饋用戶投放垃圾的類型，從而提高了小區(qū)智能化水平。此外，本文還設(shè)計了云平臺，它與手機應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了通信控制、數(shù)據(jù)共享。云平臺還可控制垃圾桶，并與手機應(yīng)用程序進(jìn)行交互，這提高了垃圾分類的效率，有效避免了人力資源的浪費。隨著智能垃圾分類的發(fā)展，本設(shè)計將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202411116010）。