智能垃圾回收装置创新设计

刘永芳、刘新举

摘要：随着城市化进程的不断加快，城市垃圾随之增多，但垃圾收取工作还停留在定时收取的模式，造成一些地方垃圾外溢未能及时处理，污染了环境。本设计提出了一种基于arduino的垃圾桶溢满检测装置。回收人员根据垃圾桶溢满的状态进行动态定点的回收，还增加了垃圾分类、灭火、消毒，除臭功能。该设计获得了省科技创新大赛三等奖。通过现场测试，达到了理想效果，非常适合在露天场所普及使用。

关键词：智能垃圾桶  垃圾回收  设计

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

随着城市化的推进，越来越多的人进入到了城市生活，随即产生了大量的垃圾。在大城市中每个公园、广场都会有垃圾桶，经常看到垃圾已经装满并且已经溢出了，但是没有人及时回收。特别是举行完大型活动之后情况尤为突出。到了夏天，垃圾桶的垃圾发酵很快，容易滋生蚊虫、散发异味，严重影响了环境；天气不好时，这些地方人流稀少，垃圾桶又空空如野。而垃圾回收人员目前采用的方式是固定的时间去回收，一般是每天一次。能否设计一款装置，可以提醒环卫工人垃圾桶即将装满，及时回收垃圾呢？经过实践调查，没有发现市面上有这种设备。继续通过网络查找，结果几乎查寻不到。经过调研、组装、测试，最终设计出了一种基于arduino的垃圾桶溢满检测装置。通过红外传感器监测垃圾桶的深度状态，并且将深度状态实时的通过GPRS模块上传到服务器，在服务器端通过现有的小程序平台即可查看到垃圾桶的状态。回收人员根据垃圾桶溢满的状态进行动态定点的回收，大大增大了工作效率。同时为了更好地进行垃圾分类，通过语音识别模块来识别用户的语音命令，用户只需要说出垃圾的类型，垃圾桶即可自动判定出垃圾的类别。考虑到的垃圾中有未熄灭的烟头等火源，在垃圾桶中加装了火焰检测传感器，通过检测垃圾桶中的烟雾来判定是否有火焰，一旦检测到了则会控制水泵从水箱中抽水自动的浇灭火源。

图1 城市广场垃圾桶爆满溢出       图2 城市公园垃圾桶爆满溢出

2  研究目的

设计一种新型垃圾回收装置可自动检测垃圾桶深度状态，并且可以使回收人员能通过小程序平台查看垃圾桶的状态，实时提醒工人及时、定位、定点回收清理，提高回收效率。且垃圾桶安有自动灭火装置，可以避免因乱丢烟头造成的事故。同时垃圾桶中安装的有语音识别模块，通过识别垃圾种类，开启对应类别的垃圾桶盖子。通过以上功能，最大限度保护了环境。

3  开展调研

3.1 调查访问

    目的是想了解人们是否见到过垃圾已经溢出，而没人收取垃圾，是否需要一种装置提醒回收人员及时把垃圾收走。调查的人员分别有：

（1）坚基购物广场30人；

（2）东江湾公园30人。

表1 调查访问结果

通过分析发现，人们的环保意识普遍增强，对垃圾溢出的现象都希望能得到及时处理。

3.2 实际观察统计

分别到坚基购物广场、东江湾公园，统计常用垃圾桶的溢满时间。分别统计时间为6小时。

表2 统计结果

由统计数据可见，大约6小时之后垃圾桶大部分都已经装满，如果一天收取一次是很不合理的。

图3 在公园实地记录垃圾溢满时间 图4 在购物广场实地记录垃圾溢满时间       

3.3 测量数据

在公园实地测量垃圾桶容量及尺寸，为接下来的垃圾桶设计提供详细参数。

（1）测量发现垃圾桶宽度是30厘米；

（2）测量发现垃圾桶高度是52厘米。

图5 测量垃圾桶的高度            图6 测量垃圾桶的宽度

4  设计思路及原理

4.1 设计原理

本设计由红外传感器深度检测模块，数据处理模块，无线通信模块几个部分构成。其中无线红外传感器深度检测模块用于检测垃圾桶的深度，无线通信模块用于将垃圾桶的深度信息上传到云端，采用的是GPRS模块，处理模块采用的是arduino处理器。通过处理传感器数据和GPRS模块数据实现垃圾桶深度的实时监测。垃圾桶语音识别模块采用ld3320型号，通过语音识别到的命令控制舵机开启和关闭实现对垃圾桶的开盖操作。灭火功能通过烟雾火焰传感器检测到有火情之后，通过控制水泵抽水达到灭火的目的。系统的架构图如图7所示。

图7 系统架构图

4.2 结构组成

本系统要实现垃圾桶垃圾量的监测，就必须要采用传感器监测垃圾桶的深度，设计中采用的是红外传感器实时监测垃圾桶的深度。红外传感器如图8所示。

图8 红外传感器监测模块                 图9 arduino处理器

当检测到垃圾桶的深度之后，需要将垃圾桶的实时深度数据传送给处理器进行实时处理才能得到对应的垃圾桶的量，同时根据数据进行逻辑判断，将数据上传到远端。采用的是arduino处理器，如图9是采用的处理器模块。

图10 GPRS模块             图11 火焰传感器模块

系统采用GPRS模块将传感器数据上传到网络端，GPRS模块的形态如图10所示。

系统中需要检测垃圾桶火焰实现灭火功能，需要用到烟雾火焰传感器，如图11所示，是烟雾火焰传感器。

检测到火焰之后需要通过控制水泵来抽水灭火，采用的是微型水泵，水泵如图12所示。

图12 水泵

另外系统具有语音识别垃圾类型的功能，通过识别出垃圾的种类从而进行分类。语音识别采用的是LD3320语音识别模块，如图13是语音识别模块。

图13 语音识别模块

语音识别出垃圾的种类之后，需要通过控制对应的垃圾桶打开相应的盖子，开盖是通过舵机来进行控制的，如图14是采用的舵机。

图14 舵机

4.3 设备的使用方法

本设备在使用的时候，首先需要将深度检测模块安装到垃圾桶的盖子上，通过传感器监测垃圾桶的深度，在安装完成之后，必须首先使得垃圾桶的深度为0。根据垃圾桶的深度即可判定出垃圾桶的溢满状态，然后再在微信小程序上添加设备即可看到对应的数据。

在进行垃圾分类测试的时候，首先对着垃圾桶说出垃圾的名称，比喻说“剩菜”，垃圾桶则会自动的打开厨余垃圾的桶盖，直接将垃圾丢进去即可。

灭火功能，测试的时候，将点燃的纸质物品扔到垃圾桶中，盖上桶盖，片刻之后即可发现水泵开始抽水灭火。但是前提是需要提前准备一个矿泉水瓶装水储水。

5  项目实施步骤

表3 项目实施步骤

图15 编写设计方案　        　　 图16初歩设计出装置草图

图17 展示设计方案         图18 讨论方案优化细节

6  项目技术实施

6.1 安装元器件

安装传感器的物联网卡，再将传感器安装到垃圾桶顶部，如图19所示。

图19 安装传感器

6.2 安装完成示意图

考虑到现场展示原因，更换垃圾桶形状、尺寸。全部安装完成后的示意图，如图20所示。

图20 安装完成示意图

在图20中，传感器1+主板：探测垃圾的高度，并上传至云端。

传感器2：探测垃圾高度。

灭火装置：一旦检测到垃圾桶中有大量的烟雾，传感器发出信号，则直接将水抽取到垃圾桶中，进行灭火。

另外，灭火装置中，可以加入消毒液，除臭液对垃圾桶进行消毒除臭。

6.3 装置测试

将垃圾放入垃圾桶，盖上桶盖，待数据刷新后，用手机查看结果。以下是三组测试数据。

图21 第一组数据

图22 第二组数据

图23 第三组数据

图24 stm32单片机                图25 GPRS模块

   垃圾桶内的垃圾高度的变化， APP终端数据的变化，如下图：  

垃圾桶内垃圾高度                   APP数值显示

垃圾桶内垃圾增多                 APP显示数值升高

图26 APP终端数据

传感器数据上传到网络端的平台更改至“阿里云”服务器，其通过APP解析就产生了相应的数据。较之原来的终端APP增加了终端定位系统、图表分析等功能。定位系统可以使环卫工作人员更精准的确定需要回收的垃圾桶位置；图表分析系统可以为工作人员的垃圾回收频率、垃圾回收的时间等，提供研究改善的大数据。

APP上终端定位              垃圾状态数据分析

实时更新的数据

图27 “阿里云”服务器数据

图28 安装元器件              图29 装置组装完成

7  今后设想及改进方面

传感器的用电量很少，能源来源可以改进为太阳能；批量定做，成本会更低，芯片可以做到更小，可以内置在垃圾桶内更隐蔽的地方。

8  项目的用途和意义

在公共空间，垃圾的收集和储存往往是一个不容轻视的问题。例如炎热天气下的道路两旁的垃圾桶内的垃圾，如果不及时回收就会腐烂发臭；而公共空间流动人员很多，垃圾更需要及时清理。虽然国家长期以来一直在建议保护环境，不乱抛垃圾，加强回收和循环利用废物资源。但在城市里，由于人口分布的不均性，或是地域社区功能的不同，道路旁边的垃圾桶有的已经满了，有的没有装满，而回收人员是定时的进行垃圾查看和回收，这样就会造成垃圾较多的地方垃圾桶已经完全装满，且已经溢出到马路上，污染环境。此地需要更高的回收频率。有的地放由于生活垃圾较少，回收人员并不需要频繁的进行回收工作。所以本设备可以实时检测到垃圾桶的深浅度状态，并且实时将数据上传。回收人员通过手机即可收到每个地点的垃圾桶深度。实现定点精准的垃圾回收，大大增加了回收工作的效率。还可以进行垃圾分类语音提示和灭火，消毒，除臭功能。最大程度保护了环境，满足了大多数用户的需求。

参考文献：

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