王鵬程　胡宏亮　楊旭

摘要：針對環(huán)保行業(yè)亟需一款方便大眾使用的智能垃圾桶的需求，結(jié)合CATIA軟件的建模優(yōu)勢，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中進行優(yōu)化設(shè)計，并利用Al-tium Designer軟件設(shè)計了垃圾桶的電子電路結(jié)構(gòu)。解決了現(xiàn)有垃圾桶存貯空間小、散發(fā)異味大、不能自動分類等問題，并以ATMEGA328P單片機為核心，采用壓力感應(yīng)模塊、WiFi通訊模塊和語音識別模塊實現(xiàn)了智能垃圾桶的多種功能。該多功能智能垃圾桶生產(chǎn)制造成本低，具有極高的經(jīng)濟效益與社會效益，可顯著提升居民生活質(zhì)量，為城市美化增添新的活力。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計;垃圾桶;壓縮;隔絕異味;語音識別;智能分類

中圖分類號：TH122;TP23 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0146—03

0引言

垃圾桶在人們的日常生活中起著舉足輕重的作用。但是現(xiàn)有垃圾桶存放空間很小，特別容易產(chǎn)生垃圾虛滿導(dǎo)致外溢的現(xiàn)象，對垃圾桶周邊的環(huán)境產(chǎn)生影響。現(xiàn)有垃圾桶往往在造型上采用了許多的曲面，造成了其表面不易清潔、使用壽命短等問題。特別是這類垃圾桶普遍沒有采用隔絕氣味設(shè)計，垃圾桶由于長期存放垃圾而散發(fā)的刺鼻氣味會極大影響環(huán)境，甚至有些如裝修廢料等有害垃圾會散發(fā)出甲醛等有毒氣體，危害居民身體健康。

《國際聯(lián)合早報》研究報告顯示，到2050年，全球垃圾量將增加70%，將從2016年的20.1億噸增至2050年的34億噸，垃圾收集任務(wù)十分艱巨，研究一種有效的智能化多功能垃圾桶已十分緊迫。近年來，隨著政府垃圾分類相關(guān)政策的出臺和居民環(huán)境保護意識的增強，垃圾分類正成為社會新風(fēng)尚。但市場上尚無一種可應(yīng)用于公共場所的可智能分類垃圾桶，一些扔垃圾者不知道如何正確投放自己手中的垃圾。

魏子碹等采用語音識別技術(shù)進行垃圾智能分類，但未設(shè)計出一款適合其技術(shù)的垃圾桶硬件結(jié)構(gòu)。黃璐等和李素云等均從硬件結(jié)構(gòu)進行新型垃圾桶的設(shè)計研究，沒有綜合考慮軟硬件創(chuàng)新結(jié)合，從而完美解決垃圾收集問題。為解決上述問題，本設(shè)計通過CATIA建模設(shè)計了一種可壓縮和隔絕異味的垃圾桶，并且可通過語音識別進行垃圾智能分類。該智能垃圾桶可以提高居民生活質(zhì)量，符合智能家居便利性、舒適性、綠色環(huán)保的理念。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為智能垃圾桶在CATIA環(huán)境下的實物模擬圖。智能垃圾桶整體高度100 cm，整個桶體為了美觀和減少不必要的曲面采用了圓柱形設(shè)計，在桶蓋上有圓形進垃圾口。CATIA的制圖數(shù)據(jù)能根據(jù)設(shè)計者的需要進行任意修改，因此垃圾桶的高度及容積大小可根據(jù)實際需要隨時修改。

智能垃圾桶的整體結(jié)構(gòu)分為機械結(jié)構(gòu)和電子電路結(jié)構(gòu)。機械結(jié)構(gòu)包括壓縮裝置、異味隔絕裝置和智能分類裝置;電子電路結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部的線路連接、壓力感應(yīng)模塊、WiFi通訊模塊和語音識別模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2機械結(jié)構(gòu)

通過CATIA軟件進行結(jié)構(gòu)性建模，為實現(xiàn)垃圾分類進行了多桶體的優(yōu)化設(shè)計;為實現(xiàn)隔絕異味，運用密封海綿體和液封槽對氣味問題做隔絕;為解決垃圾體積膨大，進行了壓縮裝置的設(shè)計，最終實現(xiàn)了垃圾箱的三維結(jié)構(gòu)性設(shè)計，具體如圖1所示。智能垃圾桶的結(jié)構(gòu)如圖3所示。垃圾桶使用的舵機型號均為DS3218，扭矩為20kg·om，質(zhì)量只有60 g，工作電壓為5.0～6.5V.

2.1壓縮裝置

智能分類垃圾桶結(jié)構(gòu)如圖3所示。1為狀態(tài)指示燈，用于給投垃圾者提醒該垃圾桶是否已滿，正常使用時為綠色，垃圾已滿時指示燈為紅色。2為麥克風(fēng)口，用于采集投垃圾者的音頻信息，并將之傳輸給語音識別模塊。3為垃圾桶蓋扶手，采用左右對稱設(shè)計，方便清潔人員雙手輕松提起垃圾桶蓋，清理回收桶內(nèi)垃圾。4為投垃圾口，本智能分類垃圾桶使用時，投垃圾者最終從此口將垃圾投入。5為壓縮裝置，由可伸縮液壓機構(gòu)和扇形壓縮板組成，壓縮板底部有壓力傳感器，當(dāng)壓力傳感器監(jiān)測到垃圾虛滿時可伸縮液壓機構(gòu)伸長將垃圾壓縮后收回。

壓縮裝置設(shè)計了一種可伸縮液壓機構(gòu)，其上端與垃圾桶蓋固定連接，下端與壓縮板固定連接，非工作狀態(tài)時可伸縮液壓機構(gòu)收縮，帶動壓縮板收回與垃圾桶蓋底部平齊，工作狀態(tài)時可伸縮壓縮機構(gòu)伸長，帶動壓縮板對虛滿垃圾進行壓縮。圖4所示為壓縮裝置放大圖，其處于半伸長狀態(tài)。

2.2異味隔絕裝置

如圖3所示，6為異味隔絕裝置，由液封槽和海綿墊圈構(gòu)成，使用時在液封槽中注入少量液體，蓋上桶蓋后液封凹槽與垃圾桶蓋的凸出緊密結(jié)合，液封槽內(nèi)液體便可將桶內(nèi)異味與外界隔離，其放大圖如圖5所示。如圖6所示，垃圾投放口采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)結(jié)構(gòu)，只有在投放垃圾時才打開，平時關(guān)閉，此設(shè)計進一步避免異味的散發(fā)。同時在垃圾桶蓋和垃圾桶內(nèi)筒壁上填充一層活性纖維炭，利用炭良好的吸附性能凈化空氣，美化周圍環(huán)境，避免招引飛蟲。該物理方法去除異味具有經(jīng)濟、有效的特點，并且不占用太多內(nèi)部空間，實現(xiàn)“小空間、大容量”的功能。

2.3分類存貯裝置

圖3中，可回收垃圾儲存箱體7為綠色箱體，不可回收垃圾儲存箱體8為黃色箱體，有害垃圾儲存箱體9為紅色箱體。3個箱體雖在外桶內(nèi)部，但其顏色仍與國家現(xiàn)行垃圾分類規(guī)定一致，體現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計的嚴(yán)謹(jǐn)，并有利于清潔人員清理垃圾桶時快速識別屬于哪一類垃圾。10為轉(zhuǎn)軸，垃圾桶日常工作時，電機驅(qū)動3個箱體沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使投垃圾者手中垃圾對應(yīng)的箱體對準(zhǔn)投垃圾口，實現(xiàn)垃圾的智能分類并存儲;同時3個箱體分別以嵌套的形式裝在轉(zhuǎn)軸上，清潔人員清理時只需將箱體豎直向上提起便可取下箱體，從而完成垃圾桶中垃圾的清理。11為外筒，12為底座，均由可降解塑料制成，低成本的同時符合綠色環(huán)保的理念。

通常，清潔工人每清理一個分類垃圾桶平均用時45 s，假如使用智能垃圾桶，只需一次裝車就能完成，這樣至少節(jié)省25～35 s的時間，相當(dāng)于提高工作效率2～3倍，也就是說可以減少1/2至2/3的清潔工人。經(jīng)成本計算，創(chuàng)新設(shè)計的智能垃圾桶成本只比傳統(tǒng)垃圾桶多70元左右，但可大大節(jié)省人工，減少人員工資，提升環(huán)境質(zhì)量。因此，多功能智能垃圾桶對環(huán)保部門來說，經(jīng)濟效益明顯。

3電子電路結(jié)構(gòu)

3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

可壓縮、隔絕異味智能分類垃圾桶系統(tǒng)采用AT-MEGA328P單片機為主控核心，其為一款8位AVR單片機。該單片機具有功耗低、性能強的優(yōu)點，同時具備六通道PWM輸出，可用于舵機和步進電機的控制。步進電機選用42步進電機，該電機扭矩大，可以使得3個分類箱體旋轉(zhuǎn)時快速、平穩(wěn)運行。系統(tǒng)采用垃圾桶蓋頂部的太陽能面板進行供電，中部嵌入有蓄電池，保證了晴天和陰天垃圾桶均能正常使用，且節(jié)能環(huán)保。

3.2壓力感應(yīng)模塊

壓力傳感器是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出電信號的器件或裝置。垃圾桶系統(tǒng)通過壓力傳感器檢測到垃圾虛滿后，底部電機自動驅(qū)動3個箱體旋轉(zhuǎn)將虛滿的箱體轉(zhuǎn)至壓縮裝置下方，然后可伸縮液壓機構(gòu)伸長使壓縮板向下壓縮，當(dāng)達(dá)到壓力值上限后可伸縮液壓機構(gòu)收縮帶動壓縮板恢復(fù)原位。

3.3 WiFi通訊模塊

垃圾桶采用ESP8266-WiFi芯片，采用WiFi形式實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。當(dāng)壓縮數(shù)次之后，壓力傳感器感應(yīng)到垃圾飽和之后可伸縮液壓機構(gòu)不再壓縮。此時狀態(tài)指示燈由綠色變?yōu)榧t色，提醒扔垃圾者不要再向此垃圾桶投放垃圾;同時，垃圾箱通過WiFi通訊模塊將本垃圾桶已滿的信息發(fā)送至清潔人員手機，提醒清潔人員快速進行清理。

3.4語音識別模塊

可壓縮、隔絕異味智能分類垃圾桶語音識別模塊采用LD3320語音識別芯片的“關(guān)鍵詞語列表”（Auto Speech Rec-ognition，ASR）的識別技術(shù)來實現(xiàn)。該芯片存儲了約60條關(guān)鍵詞語，每條關(guān)鍵詞語長度可達(dá)5或6個中文字，每個中文字用其對應(yīng)的拼音表示?；诖?，本設(shè)計將50種不同的垃圾名稱以及3種不同的垃圾類別名稱預(yù)存儲在該芯片中。其中，可回收垃圾、不可回收垃圾、有害垃圾分別用數(shù)字0、1、2進行編碼。當(dāng)芯片被喚醒后，首先通過麥克風(fēng)收集扔垃圾者口述待扔的垃圾名稱或所屬的垃圾類別的語音信息，然后對該語音信息進行識別，并將識別到的垃圾名稱或所屬垃圾類別與預(yù)存儲的關(guān)鍵詞進行匹配。匹配成功后，返回該垃圾所屬垃圾類別對應(yīng)的數(shù)字或該垃圾類別對應(yīng)的數(shù)字，如圖2所示。芯片將返回的數(shù)字作為一條指令發(fā)送給ATMEGA328P單片機，ATMEGA328P單片機控制電機驅(qū)動相應(yīng)的箱體旋轉(zhuǎn)至投垃圾口下方，然后投垃圾口擋板旋轉(zhuǎn)打開，扔垃圾者完成垃圾投放，最后投垃圾口擋板旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，此時智能分類垃圾桶也實現(xiàn)了垃圾的分類存儲。

4結(jié)束語

本文設(shè)計了一個基于壓縮裝置、異味隔絕裝置、分類存貯裝置和語音識別技術(shù)的可壓縮、隔絕異味智能分類垃圾桶，實現(xiàn)了以下功能：

（1）通過壓縮裝置壓縮虛滿的垃圾;

（2）通過異味隔絕裝置將垃圾桶內(nèi)異味與外界隔離;

（3）通過分類存貯裝置配合語音識別技術(shù)將投入的垃圾進行分類存貯;

（4）通過WiFi通訊實現(xiàn)了與手機終端的通訊功能。

綜上，該可壓縮、隔絕異味智能分類垃圾桶自動化程度高，有效解決了垃圾溢出、異味和如何分類等問題，具有極高的經(jīng)濟效益與社會效益。