馬浚茹　彭巖

摘要：目前我國居民并未掌握足夠的垃圾分類知識，對現(xiàn)行的垃圾分類標準也沒有清晰地認知，文章將提出一種智能垃圾桶，此垃圾桶可以提示投放的可回收物是哪一種屬性，從而完成垃圾分類的目標。消費者只要能夠說出垃圾的名稱，垃圾桶將自動開蓋，引導居民正確投放垃圾。桶內有四個儲存箱，用于儲存不同類別的垃圾。箱體還安裝了溫濕度傳感器保障安全。與傳統(tǒng)垃圾桶相比較，新型智能便民垃圾桶功能性、實用性更強、經(jīng)濟效益更好。

關鍵詞：智能垃圾設備；綠色環(huán)保；互聯(lián)網(wǎng)

隨著社會的不斷發(fā)展與進步，人民生產生活不斷產生各種垃圾，人們越來越關注垃圾分類問題。如今，城市的垃圾生產量急劇增長但是垃圾的處理效率較低，將垃圾收集起來集中處理是解決以上問題的重要途徑。垃圾分類問題與百姓生活息息相關，也與可持續(xù)發(fā)展有著不可分割的關聯(lián)。作為保護環(huán)境的重要組成部分，不斷完善垃圾分類過程占據(jù)重要地位。沒有公民不期待通過有效的垃圾分類管理使得人民的居住環(huán)境日益提高。根據(jù)《國際聯(lián)合早報》發(fā)布的研究結果，到2050年，全球垃圾量將達到70%的增量，將從2016年的20.1億噸增至2050年的34億噸，垃圾分類的任務仍然任重道遠。

這一問題的解決步驟有二：一是重視宣傳和教育，培養(yǎng)公民需要垃圾分類投放的意識；二是以垃圾桶為著手點，設計出一款即使是垃圾分類知識不夠充足的公民也可以正確投放垃圾的智能便民垃圾桶并投入使用。

垃圾桶作為垃圾處理的第一道工序，也是問題集中發(fā)生的關鍵所在。本文著重研究垃圾桶的設計，以現(xiàn)行的垃圾分類條例為研發(fā)原則，研發(fā)自帶語音識別的智能化垃圾桶，告知投放垃圾人群該垃圾屬于哪一種類別，方便民眾進行垃圾分類，傳統(tǒng)垃圾桶的劣勢得到解決，垃圾處理不再是困難的事情。人們在使用此款垃圾桶時，只要知道垃圾的名稱，對應的垃圾存儲模塊的桶蓋將自動打開，從源頭上解決垃圾分類問題。

一、我國垃圾分類現(xiàn)存問題

現(xiàn)在，我國雖然已經(jīng)展開了城市垃圾分類工作，但是較低的效率導致實際效果微乎其微甚至給后續(xù)垃圾處理帶來了更多的困難。通過深層次的調查分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今城市的垃圾回收狀況著實不容樂觀，其問題主要有以下三點。

第一，妨礙垃圾分類工作開展的難點之一在于公民對于垃圾分類認知淺薄，也缺乏必要的分類知識。經(jīng)過研究可以發(fā)現(xiàn)，雖然分類垃圾桶已經(jīng)出現(xiàn)，但利用率不高，特別是在農村地區(qū)并沒有起到應有的作用，其緊要問題是如今農村中居住的多數(shù)是年紀偏大、文化水平較低的老年人。這部分群眾不曾接觸過垃圾分類這個概念，即便有垃圾分類垃圾桶也不知如何正確投放垃圾。

第二，生活垃圾分類的法律條文并不完善，對投放垃圾的公民沒有足夠的約束。必要的政策法規(guī)可以影響公民的個人意識?？刹扇〈胧┰鰪姽窭诸愅斗乓庾R，比如說在國家的有關政策法規(guī)里增加完善的生活垃圾管理規(guī)章制度。

第三，當下居民區(qū)常見的垃圾分類垃圾桶是用不同的桶裝不同的垃圾，設計初衷在于引導使用者把不同的垃圾分別投放到不同的桶中。但是投入使用后會發(fā)現(xiàn)，使用者極少會分類投放垃圾，普遍會直接把所有垃圾一起傾倒到一個桶中。當下城市生活節(jié)奏快，百姓沒有時間和耐心細致地進行垃圾分類，于是不管是什么垃圾都統(tǒng)統(tǒng)丟入離自己最近的垃圾桶中。這樣一來，即使垃圾桶更新?lián)Q代，但是垃圾分類的問題使用沒有被解決。所以，本設計按照使用場景分成兩類。

戶外公用簡單分類垃圾桶。這款設計的適用背景是公園、街道、風景區(qū)等戶外場景。考慮到使用人群所放置的垃圾種類也較為簡單，這款設計的垃圾存儲模塊僅有三種，分別是：可回收、不可回收和有害垃圾。由于流動人次較多，預計使用較頻繁，該類產品容積較大、以大型垃圾桶為宜。

室內家庭分類垃圾桶。該類垃圾桶應用于住宅內部。依據(jù)現(xiàn)已實行垃圾分類管理城市的分類標準，本文的設計內容包含：可回收、其他、廚余（上海稱濕垃圾）、有害垃圾如此四個模塊。家庭室內受到室內空間限制，考慮到居家便利的需求，設計以中小型垃圾桶為宜。

二、產品設計原則

（一）衛(wèi)生與安全原則

在使用者投擲垃圾時，與垃圾桶的接觸是不可避免的，因此，衛(wèi)生安全尤為重要。首先，垃圾桶外壁硬件的材料選擇就尤為重要，本設計選用抗腐蝕、易清潔的材料。其次，垃圾桶的造型設計應符合人體工學與安全標準，針對公用垃圾桶，應當避免產生尖銳的棱角，防止對幼兒產生傷害，尺寸上應當設計為幼兒無法爬行進度的大小，防止意外發(fā)生。最后，傳統(tǒng)的垃圾桶需要人工打包、更換垃圾袋，容易弄臟手。本設計方案中的垃圾桶可以自動打包垃圾袋，自動更換新的垃圾袋，更加智能方便且不易傳播細菌。

（二）人機交互原則

要考慮用戶使用便利。當前社會垃圾分類。進行受阻的重要原因是民眾對于垃圾分類標準不了解。在產品的設計中。使用者只需對垃圾桶說出垃圾名稱，垃圾桶將自動打開相應的垃圾存儲模塊。通過智能方式，降低垃圾分類難度，提高垃圾分類普及度。

（三）“嵌入式”的外觀設計

本產品的外觀設計與容量會充分考慮與附近環(huán)境的融洽性，垃圾桶作為公共設施最重要的組成部分，對公共環(huán)境衛(wèi)生有著重要的意義。要使一個作為盛裝廢棄物的容器與具有城市特色的園林文化和建筑環(huán)境達到和諧統(tǒng)一。

三、總體功能設計

本產品以家用和公用兩大垃圾箱為設計目標，不同屬性的垃圾桶有著不同的功能和特征。

家用智能垃圾箱采用柔和靈動的流線型設計，端口向使用者傾斜15°更符合人體工學、方便使用，通體為簡約的白色，素雅大方。在本設計的箱體底部內設有四個通風口，底部外設有四個防滑墊。

本設計在每個垃圾箱上都安裝一個芯片作為信號接收裝置，可在內部進行二十多種垃圾分類，根據(jù)現(xiàn)有的垃圾分類制度，可以分為可回收、廚余、有害和其他垃圾。

當使用者需要處理垃圾時，使用者走到本設計裝置前距離約10～20厘米，本設計裝置的紅外感應裝置將識別到使用者的靠近，桶面上的OLED屏幕將自動喚醒，并向使用者顯示日期、天氣、桶內垃圾存儲情況的詳細數(shù)據(jù)（包括重量、高度、是否需要清理）。此時使用者只需說出垃圾名稱，系統(tǒng)將根據(jù)語音，自動識別垃圾類型，相對應的垃圾存儲模塊的箱蓋就會打開，這樣垃圾分類的問題就可以解決了。之后，當使用者清理垃圾時，可以按壓OLED屏幕下方的按鈕，自動打包、封口、切斷、更換垃圾袋等功能都可以直接實現(xiàn)。

另一款戶外公用垃圾箱可以承載更大容量，適用于街頭、風景區(qū)及公園等公共場所。本設計秉持 “量體裁衣”的設計理念，依據(jù)不同城市的不同文化，對戶外公共垃圾箱的外形進行精心設計，做到精致、雅觀、端莊、大氣、具有地方特色又符合大眾審美。此外，信息發(fā)布亭、廣告牌、垃圾回收可以整合在一個垃圾箱載體上，在資源節(jié)約、集成、共享的基礎上將名聲、商業(yè)、文化等信息做了集成化的研究與共享，還可以結合本地區(qū)的歷史文化，組成一道亮麗的風景線。

戶外公用垃圾箱比家用垃圾具備更多的功能，使用防腐防蝕的材料延長使用壽命。例如，增加了溫度濕度檢測功能和多語言識別功能。當服務于公共場合的垃圾箱桶內溫度濕度異常時，垃圾桶將發(fā)出蜂鳴警報聲，避免溫濕度過高，細菌繁殖，也預防安全問題的發(fā)生。戶外公用垃圾箱所搭載的語言識別芯片功能較家用也更為強大，可識別普通話、英語及部分方言。

四、終端硬件組成

（一）溫濕度傳感器 DHT11

腐爛程度高的垃圾異味大、細菌速度快危害使用者的使用體驗與健康；且垃圾桶可能有使用者誤放的未熄滅的煙頭之類的可燃物，有引發(fā)火災隱患。本設計利用腐爛垃圾溫濕度升高的特點，使用的是感溫感濕一體的復合型傳感器DHT11，對溫濕度實施實時監(jiān)測。這款傳感器可以將已經(jīng)校準過的數(shù)字信號對外傳輸，平穩(wěn)性、有效性和準確性均可保持在較好的水平。本產品應用于監(jiān)測垃圾桶內的溫濕度，并實時反饋給上級設備。若桶內垃圾腐爛嚴重，溫濕度超出合理閾值，那么本產品會立即發(fā)送信號給上級設備，下達報警指令，引起工作人員注意保證區(qū)域安全，避免火災。

（二）通信模塊

本設計上級位之間的數(shù)據(jù)通信需要借助于藍牙實現(xiàn)。與Wi-Fi通信進行對比，藍牙通信普及面廣、功能大，并且藍牙成本更低。使用同樣的數(shù)節(jié)干電池分別對Wi-Fi通信模塊和藍牙通信模塊進行測試，結果表明Wi-Fi通信模塊僅僅可以維持短短幾天，而藍牙通信模塊可以維持數(shù)周?；谝陨蠋c，所以在本設計中使用藍牙通信模塊。

（三）語音識別芯片

將垃圾分類的功能加入到人工智能中，這其實不難完成，只需要把所有可能扔的垃圾歸類到不同種類垃圾分類的信息編入垃圾箱的芯片上即可。但本設計在垃圾分類的基礎上還要應對不同的場合創(chuàng)新產品，加入語音識別控制的功能。不過在嘈雜的環(huán)境中，通過語音就能夠輕松完成垃圾丟棄和垃圾分類的任務，這是對不同環(huán)境下的產品設計。

此語音芯片是一款具有PWM輸出的OTP語音標準芯片。目前市場上使用比較多的芯片是PWN這種輸出方式的OTP芯片，這種輸出方式的芯片優(yōu)點是信號穩(wěn)定，顯著不足為音量不可調。OTP芯片的另外一種輸出方式是DAC，這款語音芯片彌補了PWN額不足，播放音量是可以隨時進行調整的。芯片共有3個IO 口，只需要一個104電容就可以滿足工作所需，成本低廉。因為此產品的元件少所以價格優(yōu)勢十分突出。

（四）紅外傳感模塊和超聲波測距模塊

傳統(tǒng)手動開蓋垃圾桶需要使用者用手開蓋，在使用過程中難免會直接接觸到垃圾桶。若不設置桶蓋，垃圾桶的異味會影響人們的生活和工作環(huán)境，且無法引導使用者進行正確的垃圾分類?？紤]到以上這些問題，本設計采用垃圾桶自動開蓋的思路，即可以檢測到使用者的靠近，自動喚醒語音系統(tǒng)，通過語音提示，垃圾桶自動打開對應的存儲模塊。保證使用者在使用過程中，無須直接接觸垃圾桶，確保衛(wèi)生。本次研究涉及的產品使用紅外感應和超聲波距離檢測模塊，由微處理器控制，實現(xiàn)OLED屏幕的自動喚醒。

本設計的傳感模塊是由兩個接受與發(fā)射紅外信號的二極管組成。其中，發(fā)射管可以發(fā)射一種固定頻率的信號，若遇到障礙物使用者會立即反彈，由固定的接收管進行接收，此信號將通過傳感器接口返回主機。

超聲波測距采用 HC-SR04模塊，該傳感器精度為3mm，具有低功耗，價格低廉，適用于電池供電的設備等優(yōu)點。該超聲測距傳感器模塊具有一對脈沖信號發(fā)射與接收的超聲波傳感器，一個用作超聲波發(fā)射器，發(fā)出40khz超聲波信號；一個用于接收反射的信號，并產生一個輸出脈沖。其包含以下工作原理：離開發(fā)射器的超聲波脈沖通過空氣傳播，遇到障礙物后進行反射，被接收器接收，通過時間差和聲音傳播速度這兩大要素，對障礙物和使用者之間的距離進行計算。當桶身與障礙物之間的距離在10～20公分之間時，OLED屏幕將會被喚醒。

（五）垃圾存儲箱材質使用

本設計采用美觀、延展性極佳的塑料作為外殼，耐高溫、耐腐蝕、易清洗的不銹鋼作為內膽。為進一步提高垃圾桶安全性，將采用有機硅橡膠附著在不銹鋼內膽上。

本設計使用的涂層材料是利用環(huán)氧樹脂進行改造的有機硅橡膠基體。另一種市面上常用的耐高溫涂料是有機硅樹脂類，這類材料有著耐高低溫性能好，耐候性高、電絕緣性及耐水性也遠優(yōu)于其他材料，但其價格較高，所以沒有使用這種材料，而是運用有機硅橡膠實現(xiàn)耐熱性、耐化學腐蝕性及力學性能的提升。

五、結語

本設計圍繞通過使用智能垃圾桶語音引導群眾進行垃圾的智能化分類，提供這一用于解決城市垃圾初步分類難題的對策思路。若本設計投入城市供居民、消費者使用，將有望增強居民、消費者垃圾分類投放的意識，豐富其與垃圾分類相關的知識，緩解垃圾分揀終端的工作壓力。與此同時社區(qū)將經(jīng)過初步處理的固態(tài)垃圾廢品送往城市終端垃圾分揀處，終端垃圾處理中心對運送過來的固態(tài)干垃圾做進一步的分揀，進行最終的再生資源回收。本設計適用于全國各類大中城市，有著良好的廣闊的應用前景。

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＊基金項目：江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（202013571047T）；無錫市科協(xié)軟課題（KX-21-B09）；江蘇高校哲學社會科學研究一般項目（2021SJA0904）；教育部產學合作協(xié)同育人項目（202101301063）。

（作者單位：無錫太湖學院。彭巖為通信作者）