閆俊伢 元圓夢(mèng)

（山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院 信息學(xué)院 山西省太原市 030031）

生活垃圾污染一直是社會(huì)關(guān)注問題之一。自2019年起在全國地級(jí)及以上城市全面正式啟動(dòng)生活垃圾分類，加快建立分類投放、收集、運(yùn)輸、處理的垃圾處理系統(tǒng)，加快提高生活垃圾的收集、分類，已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展重要問題之一[1]。在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，為響應(yīng)社會(huì)需求，設(shè)計(jì)多功能智能分類垃圾桶。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)

“多功能智能分類垃圾桶”的核心是智能識(shí)別系統(tǒng)，智能識(shí)別系統(tǒng)由微電腦控制芯片、自然光虹膜圖像識(shí)別、紅外傳感探測(cè)裝置組成。微電腦控制芯片采用目標(biāo)檢測(cè)、顯著性檢測(cè)、分類、目標(biāo)跟蹤、顏色校正等多種算法。該設(shè)計(jì)是通過智能識(shí)別系統(tǒng)來進(jìn)行分辨分類，將干垃圾、濕垃圾、可回收垃圾等，以各式各類的形狀和種類的圖片提前存入系統(tǒng)。垃圾投入后，識(shí)別系統(tǒng)通過紅外傳感探測(cè)裝置以及自然光圖虹膜像識(shí)別，將掃描到的垃圾與系統(tǒng)預(yù)先存入的圖片進(jìn)行對(duì)比，將識(shí)別到的垃圾與對(duì)應(yīng)垃圾箱匹配后，利用分離系統(tǒng)進(jìn)行再一次分類。

2 設(shè)計(jì)過程

該設(shè)計(jì)由智能識(shí)別系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、4 個(gè)主體垃圾存儲(chǔ)箱、螺線管、供電系統(tǒng)以及集成模塊組成，具體運(yùn)行方式為：

垃圾投入——通過與智能識(shí)別系統(tǒng)中預(yù)存信息對(duì)比，做出正確分類；

電路控制——智能識(shí)別系統(tǒng)發(fā)出指令控制螺線管通電；

垃圾分類——螺線管在接通電源后，產(chǎn)生磁性，吸引周邊鐵架，通過通電螺線管使相對(duì)應(yīng)擋板打開，垃圾將會(huì)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的垃圾存儲(chǔ)箱，實(shí)現(xiàn)垃圾正確分類。

2.1 設(shè)計(jì)原理

該設(shè)計(jì)最大程度上確保垃圾正確分類。垃圾投入時(shí)，當(dāng)人體或物件在智能垃圾桶感應(yīng)識(shí)別的范圍（30-40cm）之內(nèi)時(shí)，微電腦控制芯片中的目標(biāo)跟蹤算法以及紅外線探測(cè)裝置就會(huì)啟動(dòng)，桶蓋自動(dòng)打開；當(dāng)垃圾投入時(shí)，智能識(shí)別系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行識(shí)別，通過通電螺線管確保垃圾正確分類；當(dāng)人體或物件離開感應(yīng)區(qū)時(shí)，桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。

2.2 設(shè)計(jì)功能

“多功能智能分類垃圾桶”由智能識(shí)別系統(tǒng)、主體垃圾存儲(chǔ)箱、螺線管、分離系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)、集成模塊[2]六部分組成。多功能智能分類垃圾桶功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2.1 智能識(shí)別系統(tǒng)

智能識(shí)別系統(tǒng)由微電腦控制芯片、自然光虹膜圖像、紅外傳感探測(cè)裝置三部分組成；

圖1：多功能智能分類垃圾桶功能結(jié)構(gòu)圖

圖2：垃圾桶外觀圖

智能識(shí)別系統(tǒng)主要對(duì)事物進(jìn)行正確的識(shí)別和分類。將各類垃圾的信息掃描錄入到事物的隸屬函數(shù)中（隸屬度表示對(duì)象隸屬某一類的程度），經(jīng)過目標(biāo)檢測(cè)算法、顯著性檢測(cè)算法、分類算法、目標(biāo)跟蹤算法等一系列計(jì)算，分辨出垃圾類型，從而進(jìn)行正確分類。

（1）微電腦控制芯片：用來存儲(chǔ)不同形狀不同種類的圖片。

（2）紅外傳感探測(cè)裝置：投入垃圾之后，系統(tǒng)將掃描到的垃圾信息迅速與系統(tǒng)中預(yù)先存儲(chǔ)的信息進(jìn)行對(duì)比識(shí)別，將識(shí)別到的垃圾與垃圾存儲(chǔ)箱進(jìn)行匹配，以確保垃圾進(jìn)行后續(xù)分類。

（3）自然光虹膜圖像識(shí)別：利用顏色校正算法對(duì)光照下的垃圾進(jìn)行顏色、實(shí)體特征校對(duì)。光照下的虹膜圖像差異、背景等都會(huì)導(dǎo)致圖像顏色的一個(gè)偏差[3]。這一識(shí)別技術(shù)將能夠很好的消除此影響，確保最大程度獲取物體特征。

圖3：產(chǎn)品分解圖

2.2.2 分離系統(tǒng)

分離系統(tǒng)采用擋板式，主體箱的擋板都是獨(dú)立的，互不影響。這四塊擋板均是受支架和螺線管的控制，螺線管和智能識(shí)別系統(tǒng)在通電情況下互相連接。有垃圾扔投入時(shí)，識(shí)別系統(tǒng)會(huì)正確識(shí)別投入垃圾的類型。

2.2.3 垃圾存儲(chǔ)箱

將垃圾分類干垃圾、濕垃圾、有毒垃圾以及未識(shí)別垃圾[4]。

2.2.4 螺線管

螺線管常用于通過導(dǎo)通或切斷電流的方式來操縱與擋板支架相連接。

2.2.5 供電系統(tǒng)

主要為其供電所需，采用高密度聚合物電池，比普通電池持久20%以上，電池循環(huán)次數(shù)也增加200 多次。

2.2.6 集成模塊

此模塊集成了存儲(chǔ)模塊、LED 顯示、顯示模塊和單片機(jī)。

3 設(shè)計(jì)效果

根據(jù)設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖，利用C4D 技術(shù)設(shè)計(jì)出產(chǎn)品概念圖。

在“多功能智能分類垃圾桶”表面設(shè)有開關(guān)鍵、屏幕顯示屏以及LED 顯示燈。正面圖如圖2(A)所示，在背面設(shè)有充電孔，用來為垃圾桶集中供電，背面圖如圖2(B)所示。在桶蓋還設(shè)有屏幕顯示屏，用來顯示扔入垃圾是哪一類；顯示屏內(nèi)部有集成電路板，用來正確分類垃圾以及感應(yīng)識(shí)別人體或物體。顯示屏外觀圖如圖2(C)所示，在顯示屏內(nèi)部有集成電路板，用來正確分類垃圾以及感應(yīng)識(shí)別人體或物體，顯示屏內(nèi)部連接圖如圖2(D)所示。

在“多功能智能分類垃圾桶”桶身設(shè)有LED 顯示燈，顯示燈中部設(shè)置有拍攝裝置，用來顯示桶內(nèi)垃圾是否滿溢。

（1）當(dāng)桶內(nèi)4 個(gè)桶箱均為空時(shí)，LED 顯示為綠色；當(dāng)桶內(nèi)4個(gè)桶箱全滿時(shí)，LED 顯示為紅色；

（2）當(dāng)桶內(nèi)干垃圾滿時(shí)，LED 顯示為藍(lán)色；當(dāng)桶內(nèi)濕垃圾滿時(shí)，LED 顯示為黃色；當(dāng)桶內(nèi)有毒垃圾滿時(shí)，LED 顯示為紫色；當(dāng)桶內(nèi)未識(shí)別垃圾滿時(shí)，LED 顯示為黑色。

“多功能智能分類垃圾桶”產(chǎn)品分解如圖3所示。

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)以智能識(shí)別系統(tǒng)為核心，筒身全智能化[5]。除此之外，桶蓋采用LED 顯示屏，當(dāng)桶內(nèi)垃圾裝滿或?yàn)榭諘r(shí)，LED 燈會(huì)顯示相應(yīng)燈光，滿足了人們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)垃圾識(shí)別分類的需求；采用紅外線探測(cè)感應(yīng)裝置以及多種算法，將人們從數(shù)量龐大的垃圾分類中解放，有效提高垃圾分類效率與正確率，適用于家庭、辦公等場(chǎng)所，設(shè)計(jì)的智能化多功能垃圾桶極大滿足了用戶需求。多功能智能分類垃圾桶可以有效培養(yǎng)人們環(huán)保意識(shí)，改善環(huán)境問題，提高工作效率，垃圾的正確分類可以確保二次回收，使資源可以重復(fù)利用，即節(jié)約能源變廢為寶，在保證智能化同時(shí)取得良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、社會(huì)效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)。