智能垃圾回收裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

劉永芳、劉新舉

摘要：隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市垃圾隨之增多，但垃圾收取工作還停留在定時(shí)收取的模式，造成一些地方垃圾外溢未能及時(shí)處理，污染了環(huán)境。本設(shè)計(jì)提出了一種基于arduino的垃圾桶溢滿(mǎn)檢測(cè)裝置?；厥杖藛T根據(jù)垃圾桶溢滿(mǎn)的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定點(diǎn)的回收，還增加了垃圾分類(lèi)、滅火、消毒，除臭功能。該設(shè)計(jì)獲得了省科技創(chuàng)新大賽三等獎(jiǎng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，達(dá)到了理想效果，非常適合在露天場(chǎng)所普及使用。

關(guān)鍵詞：智能垃圾桶  垃圾回收  設(shè)計(jì)

Abstract: With the accelerating process of urbanization, urban garbage increases, but the garbage collection still stays in the mode of regular collection, resulting in the failure of timely treatment of garbage overflow in some places and polluting the environment. This design presents a garbage can overflow detection device based on Arduino. The recycling personnel conduct dynamic fixed-point recycling according to the overflowing state of the garbage can, and also increase the functions of garbage classification, fire extinguishing, disinfection and deodorization. The design won the third prize in the provincial scientific and technological innovation competition. Through the field test, the ideal effect is achieved, which is very suitable for popularization in open places.

Key words: Intelligent trash can  Garbage collection  Design

1  研究背景

隨著城市化的推進(jìn)，越來(lái)越多的人進(jìn)入到了城市生活，隨即產(chǎn)生了大量的垃圾。在大城市中每個(gè)公園、廣場(chǎng)都會(huì)有垃圾桶，經(jīng)?？吹?/span>垃圾已經(jīng)裝滿(mǎn)并且已經(jīng)溢出了，但是沒(méi)有人及時(shí)回收。特別是舉行完大型活動(dòng)之后情況尤為突出。到了夏天，垃圾桶的垃圾發(fā)酵很快，容易滋生蚊蟲(chóng)、散發(fā)異味，嚴(yán)重影響了環(huán)境；天氣不好時(shí)，這些地方人流稀少，垃圾桶又空空如野。而垃圾回收人員目前采用的方式是固定的時(shí)間去回收，一般是每天一次。能否設(shè)計(jì)一款裝置，可以提醒環(huán)衛(wèi)工人垃圾桶即將裝滿(mǎn)，及時(shí)回收垃圾呢？經(jīng)過(guò)實(shí)踐調(diào)查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)市面上有這種設(shè)備。繼續(xù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查找，結(jié)果幾乎查尋不到。經(jīng)過(guò)調(diào)研、組裝、測(cè)試，最終設(shè)計(jì)出了一種基于arduino的垃圾桶溢滿(mǎn)檢測(cè)裝置。通過(guò)紅外傳感器監(jiān)測(cè)垃圾桶的深度狀態(tài)，并且將深度狀態(tài)實(shí)時(shí)的通過(guò)GPRS模塊上傳到服務(wù)器，在服務(wù)器端通過(guò)現(xiàn)有的小程序平臺(tái)即可查看到垃圾桶的狀態(tài)?；厥杖藛T根據(jù)垃圾桶溢滿(mǎn)的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定點(diǎn)的回收，大大增大了工作效率。同時(shí)為了更好地進(jìn)行垃圾分類(lèi)，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊來(lái)識(shí)別用戶(hù)的語(yǔ)音命令，用戶(hù)只需要說(shuō)出垃圾的類(lèi)型，垃圾桶即可自動(dòng)判定出垃圾的類(lèi)別。考慮到的垃圾中有未熄滅的煙頭等火源，在垃圾桶中加裝了火焰檢測(cè)傳感器，通過(guò)檢測(cè)垃圾桶中的煙霧來(lái)判定是否有火焰，一旦檢測(cè)到了則會(huì)控制水泵從水箱中抽水自動(dòng)的澆滅火源。

圖1 城市廣場(chǎng)垃圾桶爆滿(mǎn)溢出       圖2 城市公園垃圾桶爆滿(mǎn)溢出

2  研究目的

設(shè)計(jì)一種新型垃圾回收裝置可自動(dòng)檢測(cè)垃圾桶深度狀態(tài)，并且可以使回收人員能通過(guò)小程序平臺(tái)查看垃圾桶的狀態(tài)，實(shí)時(shí)提醒工人及時(shí)、定位、定點(diǎn)回收清理，提高回收效率。且垃圾桶安有自動(dòng)滅火裝置，可以避免因亂丟煙頭造成的事故。同時(shí)垃圾桶中安裝的有語(yǔ)音識(shí)別模塊，通過(guò)識(shí)別垃圾種類(lèi)，開(kāi)啟對(duì)應(yīng)類(lèi)別的垃圾桶蓋子。通過(guò)以上功能，最大限度保護(hù)了環(huán)境。

3  開(kāi)展調(diào)研

3.1 調(diào)查訪問(wèn)

    目的是想了解人們是否見(jiàn)到過(guò)垃圾已經(jīng)溢出，而沒(méi)人收取垃圾，是否需要一種裝置提醒回收人員及時(shí)把垃圾收走。調(diào)查的人員分別有：

（1）堅(jiān)基購(gòu)物廣場(chǎng)30人；

（2）東江灣公園30人。

表1 調(diào)查訪問(wèn)結(jié)果

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，人們的環(huán)保意識(shí)普遍增強(qiáng)，對(duì)垃圾溢出的現(xiàn)象都希望能得到及時(shí)處理。

3.2 實(shí)際觀察統(tǒng)計(jì)

分別到堅(jiān)基購(gòu)物廣場(chǎng)、東江灣公園，統(tǒng)計(jì)常用垃圾桶的溢滿(mǎn)時(shí)間。分別統(tǒng)計(jì)時(shí)間為6小時(shí)。

表2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，大約6小時(shí)之后垃圾桶大部分都已經(jīng)裝滿(mǎn)，如果一天收取一次是很不合理的。

圖3 在公園實(shí)地記錄垃圾溢滿(mǎn)時(shí)間 圖4 在購(gòu)物廣場(chǎng)實(shí)地記錄垃圾溢滿(mǎn)時(shí)間       

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)

在公園實(shí)地測(cè)量垃圾桶容量及尺寸，為接下來(lái)的垃圾桶設(shè)計(jì)提供詳細(xì)參數(shù)。

（1）測(cè)量發(fā)現(xiàn)垃圾桶寬度是30厘米；

（2）測(cè)量發(fā)現(xiàn)垃圾桶高度是52厘米。

圖5 測(cè)量垃圾桶的高度            圖6 測(cè)量垃圾桶的寬度

4  設(shè)計(jì)思路及原理

4.1 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)由紅外傳感器深度檢測(cè)模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，無(wú)線(xiàn)通信模塊幾個(gè)部分構(gòu)成。其中無(wú)線(xiàn)紅外傳感器深度檢測(cè)模塊用于檢測(cè)垃圾桶的深度，無(wú)線(xiàn)通信模塊用于將垃圾桶的深度信息上傳到云端，采用的是GPRS模塊，處理模塊采用的是arduino處理器。通過(guò)處理傳感器數(shù)據(jù)和GPRS模塊數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)垃圾桶深度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。垃圾桶語(yǔ)音識(shí)別模塊采用ld3320型號(hào)，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別到的命令控制舵機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶的開(kāi)蓋操作。滅火功能通過(guò)煙霧火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到有火情之后，通過(guò)控制水泵抽水達(dá)到滅火的目的。系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)垃圾桶垃圾量的監(jiān)測(cè)，就必須要采用傳感器監(jiān)測(cè)垃圾桶的深度，設(shè)計(jì)中采用的是紅外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垃圾桶的深度。紅外傳感器如圖8所示。

圖8 紅外傳感器監(jiān)測(cè)模塊                 圖9 arduino處理器

當(dāng)檢測(cè)到垃圾桶的深度之后，需要將垃圾桶的實(shí)時(shí)深度數(shù)據(jù)傳送給處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理才能得到對(duì)應(yīng)的垃圾桶的量，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)端。采用的是arduino處理器，如圖9是采用的處理器模塊。

圖10 GPRS模塊             圖11 火焰?zhèn)鞲衅髂K

系統(tǒng)采用GPRS模塊將傳感器數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)端，GPRS模塊的形態(tài)如圖10所示。

系統(tǒng)中需要檢測(cè)垃圾桶火焰實(shí)現(xiàn)滅火功能，需要用到煙霧火焰?zhèn)鞲衅鳎鐖D11所示，是煙霧火焰?zhèn)鞲衅?/span>。

檢測(cè)到火焰之后需要通過(guò)控制水泵來(lái)抽水滅火，采用的是微型水泵，水泵如圖12所示。

圖12 水泵

另外系統(tǒng)具有語(yǔ)音識(shí)別垃圾類(lèi)型的功能，通過(guò)識(shí)別出垃圾的種類(lèi)從而進(jìn)行分類(lèi)。語(yǔ)音識(shí)別采用的是LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊，如圖13是語(yǔ)音識(shí)別模塊。

圖13 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別出垃圾的種類(lèi)之后，需要通過(guò)控制對(duì)應(yīng)的垃圾桶打開(kāi)相應(yīng)的蓋子，開(kāi)蓋是通過(guò)舵機(jī)來(lái)進(jìn)行控制的，如圖14是采用的舵機(jī)。

圖14 舵機(jī)

4.3 設(shè)備的使用方法

本設(shè)備在使用的時(shí)候，首先需要將深度檢測(cè)模塊安裝到垃圾桶的蓋子上，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)垃圾桶的深度，在安裝完成之后，必須首先使得垃圾桶的深度為0。根據(jù)垃圾桶的深度即可判定出垃圾桶的溢滿(mǎn)狀態(tài)，然后再在微信小程序上添加設(shè)備即可看到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行垃圾分類(lèi)測(cè)試的時(shí)候，首先對(duì)著垃圾桶說(shuō)出垃圾的名稱(chēng)，比喻說(shuō)“剩菜”，垃圾桶則會(huì)自動(dòng)的打開(kāi)廚余垃圾的桶蓋，直接將垃圾丟進(jìn)去即可。

滅火功能，測(cè)試的時(shí)候，將點(diǎn)燃的紙質(zhì)物品扔到垃圾桶中，蓋上桶蓋，片刻之后即可發(fā)現(xiàn)水泵開(kāi)始抽水滅火。但是前提是需要提前準(zhǔn)備一個(gè)礦泉水瓶裝水儲(chǔ)水。

5  項(xiàng)目實(shí)施步驟

表3 項(xiàng)目實(shí)施步驟

圖15 編寫(xiě)設(shè)計(jì)方案　        　　 圖16初歩設(shè)計(jì)出裝置草圖

圖17 展示設(shè)計(jì)方案         圖18 討論方案優(yōu)化細(xì)節(jié)

6  項(xiàng)目技術(shù)實(shí)施

6.1 安裝元器件

安裝傳感器的物聯(lián)網(wǎng)卡，再將傳感器安裝到垃圾桶頂部，如圖19所示。

圖19 安裝傳感器

6.2 安裝完成示意圖

考慮到現(xiàn)場(chǎng)展示原因，更換垃圾桶形狀、尺寸。全部安裝完成后的示意圖，如圖20所示。

圖20 安裝完成示意圖

在圖20中，傳感器1+主板：探測(cè)垃圾的高度，并上傳至云端。

傳感器2：探測(cè)垃圾高度。

滅火裝置：一旦檢測(cè)到垃圾桶中有大量的煙霧，傳感器發(fā)出信號(hào)，則直接將水抽取到垃圾桶中，進(jìn)行滅火。

另外，滅火裝置中，可以加入消毒液，除臭液對(duì)垃圾桶進(jìn)行消毒除臭。

6.3 裝置測(cè)試

將垃圾放入垃圾桶，蓋上桶蓋，待數(shù)據(jù)刷新后，用手機(jī)查看結(jié)果。以下是三組測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖21 第一組數(shù)據(jù)

圖22 第二組數(shù)據(jù)

圖23 第三組數(shù)據(jù)

圖24 stm32單片機(jī)                圖25 GPRS模塊

   垃圾桶內(nèi)的垃圾高度的變化， APP終端數(shù)據(jù)的變化，如下圖：  

垃圾桶內(nèi)垃圾高度                   APP數(shù)值顯示

垃圾桶內(nèi)垃圾增多                 APP顯示數(shù)值升高

圖26 APP終端數(shù)據(jù)

傳感器數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)端的平臺(tái)更改至“阿里云”服務(wù)器，其通過(guò)APP解析就產(chǎn)生了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。較之原來(lái)的終端APP增加了終端定位系統(tǒng)、圖表分析等功能。定位系統(tǒng)可以使環(huán)衛(wèi)工作人員更精準(zhǔn)的確定需要回收的垃圾桶位置；圖表分析系統(tǒng)可以為工作人員的垃圾回收頻率、垃圾回收的時(shí)間等，提供研究改善的大數(shù)據(jù)。

APP上終端定位              垃圾狀態(tài)數(shù)據(jù)分析

實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)

圖27 “阿里云”服務(wù)器數(shù)據(jù)

圖28 安裝元器件              圖29 裝置組裝完成

7  今后設(shè)想及改進(jìn)方面

傳感器的用電量很少，能源來(lái)源可以改進(jìn)為太陽(yáng)能；批量定做，成本會(huì)更低，芯片可以做到更小，可以?xún)?nèi)置在垃圾桶內(nèi)更隱蔽的地方。

8  項(xiàng)目的用途和意義

在公共空間，垃圾的收集和儲(chǔ)存往往是一個(gè)不容輕視的問(wèn)題。例如炎熱天氣下的道路兩旁的垃圾桶內(nèi)的垃圾，如果不及時(shí)回收就會(huì)腐爛發(fā)臭；而公共空間流動(dòng)人員很多，垃圾更需要及時(shí)清理。雖然國(guó)家長(zhǎng)期以來(lái)一直在建議保護(hù)環(huán)境，不亂拋垃圾，加強(qiáng)回收和循環(huán)利用廢物資源。但在城市里，由于人口分布的不均性，或是地域社區(qū)功能的不同，道路旁邊的垃圾桶有的已經(jīng)滿(mǎn)了，有的沒(méi)有裝滿(mǎn)，而回收人員是定時(shí)的進(jìn)行垃圾查看和回收，這樣就會(huì)造成垃圾較多的地方垃圾桶已經(jīng)完全裝滿(mǎn)，且已經(jīng)溢出到馬路上，污染環(huán)境。此地需要更高的回收頻率。有的地放由于生活垃圾較少，回收人員并不需要頻繁的進(jìn)行回收工作。所以本設(shè)備可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到垃圾桶的深淺度狀態(tài)，并且實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳?；厥杖藛T通過(guò)手機(jī)即可收到每個(gè)地點(diǎn)的垃圾桶深度。實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)精準(zhǔn)的垃圾回收，大大增加了回收工作的效率。還可以進(jìn)行垃圾分類(lèi)語(yǔ)音提示和滅火，消毒，除臭功能。最大程度保護(hù)了環(huán)境，滿(mǎn)足了大多數(shù)用戶(hù)的需求。

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