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(shí)，對現(xiàn)行的垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)也沒有清晰地認(rèn)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(biāo)。消費(fèi)者只要能夠說出垃圾的名稱，垃圾桶將自動(dòng)開蓋，引導(dǎo)居民正確投放垃圾。桶內(nèi)有四個(gè)儲(chǔ)存箱，用于儲(chǔ)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(shí)用性更強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益更好。

關(guān)鍵詞：智能垃圾設(shè)備；綠色環(huán)保；互聯(lián)網(wǎng)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人民生產(chǎn)生活不斷產(chǎn)生各種垃圾，人們越來越關(guān)注垃圾分類問題。如今，城市的垃圾生產(chǎn)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(guān)，也與可持續(xù)發(fā)展有著不可分割的關(guān)聯(lián)。作為保護(hù)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(bào)》發(fā)布的研究結(jié)果，到2050年，全球垃圾量將達(dá)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(wù)仍然任重道遠(yuǎn)。

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(shí)；二是以垃圾桶為著手點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款即使是垃圾分類知識(shí)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(guān)鍵所在。本文著重研究垃圾桶的設(shè)計(jì)，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(shí)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(jìn)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(shí)，只要知道垃圾的名稱，對應(yīng)的垃圾存儲(chǔ)模塊的桶蓋將自動(dòng)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(dǎo)致實(shí)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(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今城市的垃圾回收狀況著實(shí)不容樂觀，其問題主要有以下三點(diǎn)。

第一，妨礙垃圾分類工作開展的難點(diǎn)之一在于公民對于垃圾分類認(rèn)知淺薄，也缺乏必要的分類知識(shí)。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(nóng)村地區(qū)并沒有起到應(yīng)有的作用，其緊要問題是如今農(nóng)村中居住的多數(shù)是年紀(jì)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(gè)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(gè)人意識(shí)?？刹扇〈胧┰鰪?qiáng)公民垃圾分類投放意識(shí)，比如說在國家的有關(guān)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(dāng)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(shè)計(jì)初衷在于引導(dǎo)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(huì)發(fā)現(xiàn)，使用者極少會(huì)分類投放垃圾，普遍會(huì)直接把所有垃圾一起傾倒到一個(gè)桶中。當(dāng)下城市生活節(jié)奏快，百姓沒有時(shí)間和耐心細(xì)致地進(jìn)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(shè)計(jì)按照使用場景分成兩類。

戶外公用簡單分類垃圾桶。這款設(shè)計(jì)的適用背景是公園、街道、風(fēng)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(shè)計(jì)的垃圾存儲(chǔ)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(dòng)人次較多，預(yù)計(jì)使用較頻繁，該類產(chǎn)品容積較大、以大型垃圾桶為宜。

室內(nèi)家庭分類垃圾桶。該類垃圾桶應(yīng)用于住宅內(nèi)部。依據(jù)現(xiàn)已實(shí)行垃圾分類管理城市的分類標(biāo)準(zhǔn)，本文的設(shè)計(jì)內(nèi)容包含：可回收、其他、廚余（上海稱濕垃圾）、有害垃圾如此四個(gè)模塊。家庭室內(nèi)受到室內(nèi)空間限制，考慮到居家便利的需求，設(shè)計(jì)以中小型垃圾桶為宜。

二、產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則

（一）衛(wèi)生與安全原則

在使用者投擲垃圾時(shí)，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(shè)計(jì)選用抗腐蝕、易清潔的材料。其次，垃圾桶的造型設(shè)計(jì)應(yīng)符合人體工學(xué)與安全標(biāo)準(zhǔn)，針對公用垃圾桶，應(yīng)當(dāng)避免產(chǎn)生尖銳的棱角，防止對幼兒產(chǎn)生傷害，尺寸上應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為幼兒無法爬行進(jìn)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(shè)計(jì)方案中的垃圾桶可以自動(dòng)打包垃圾袋，自動(dòng)更換新的垃圾袋，更加智能方便且不易傳播細(xì)菌。

（二）人機(jī)交互原則

要考慮用戶使用便利。當(dāng)前社會(huì)垃圾分類。進(jìn)行受阻的重要原因是民眾對于垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)不了解。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。使用者只需對垃圾桶說出垃圾名稱，垃圾桶將自動(dòng)打開相應(yīng)的垃圾存儲(chǔ)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(shè)計(jì)

本產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)與容量會(huì)充分考慮與附近環(huán)境的融洽性，垃圾桶作為公共設(shè)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(gè)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(dá)到和諧統(tǒng)一。

三、總體功能設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品以家用和公用兩大垃圾箱為設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(dòng)的流線型設(shè)計(jì)，端口向使用者傾斜15°更符合人體工學(xué)、方便使用，通體為簡約的白色，素雅大方。在本設(shè)計(jì)的箱體底部內(nèi)設(shè)有四個(gè)通風(fēng)口，底部外設(shè)有四個(gè)防滑墊。

本設(shè)計(jì)在每個(gè)垃圾箱上都安裝一個(gè)芯片作為信號(hào)接收裝置，可在內(nèi)部進(jìn)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(dāng)使用者需要處理垃圾時(shí)，使用者走到本設(shè)計(jì)裝置前距離約10～20厘米，本設(shè)計(jì)裝置的紅外感應(yīng)裝置將識(shí)別到使用者的靠近，桶面上的OLED屏幕將自動(dòng)喚醒，并向使用者顯示日期、天氣、桶內(nèi)垃圾存儲(chǔ)情況的詳細(xì)數(shù)據(jù)（包括重量、高度、是否需要清理）。此時(shí)使用者只需說出垃圾名稱，系統(tǒng)將根據(jù)語音，自動(dòng)識(shí)別垃圾類型，相對應(yīng)的垃圾存儲(chǔ)模塊的箱蓋就會(huì)打開，這樣垃圾分類的問題就可以解決了。之后，當(dāng)使用者清理垃圾時(shí)，可以按壓OLED屏幕下方的按鈕，自動(dòng)打包、封口、切斷、更換垃圾袋等功能都可以直接實(shí)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(fēng)景區(qū)及公園等公共場所。本設(shè)計(jì)秉持 “量體裁衣”的設(shè)計(jì)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(jìn)行精心設(shè)計(jì)，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(gè)垃圾箱載體上，在資源節(jié)約、集成、共享的基礎(chǔ)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(jié)合本地區(qū)的歷史文化，組成一道亮麗的風(fēng)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(shí)別功能。當(dāng)服務(wù)于公共場合的垃圾箱桶內(nèi)溫度濕度異常時(shí)，垃圾桶將發(fā)出蜂鳴警報(bào)聲，避免溫濕度過高，細(xì)菌繁殖，也預(yù)防安全問題的發(fā)生。戶外公用垃圾箱所搭載的語言識(shí)別芯片功能較家用也更為強(qiáng)大，可識(shí)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(xì)菌速度快危害使用者的使用體驗(yàn)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(zāi)隱患。本設(shè)計(jì)利用腐爛垃圾溫濕度升高的特點(diǎn)，使用的是感溫感濕一體的復(fù)合型傳感器DHT11，對溫濕度實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測。這款傳感器可以將已經(jīng)校準(zhǔn)過的數(shù)字信號(hào)對外傳輸，平穩(wěn)性、有效性和準(zhǔn)確性均可保持在較好的水平。本產(chǎn)品應(yīng)用于監(jiān)測垃圾桶內(nèi)的溫濕度，并實(shí)時(shí)反饋給上級(jí)設(shè)備。若桶內(nèi)垃圾腐爛嚴(yán)重，溫濕度超出合理閾值，那么本產(chǎn)品會(huì)立即發(fā)送信號(hào)給上級(jí)設(shè)備，下達(dá)報(bào)警指令，引起工作人員注意保證區(qū)域安全，避免火災(zāi)。

（二）通信模塊

本設(shè)計(jì)上級(jí)位之間的數(shù)據(jù)通信需要借助于藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)。與Wi-Fi通信進(jìn)行對比，藍(lán)牙通信普及面廣、功能大，并且藍(lán)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(lán)牙通信模塊進(jìn)行測試，結(jié)果表明Wi-Fi通信模塊僅僅可以維持短短幾天，而藍(lán)牙通信模塊可以維持?jǐn)?shù)周。基于以上幾點(diǎn)，所以在本設(shè)計(jì)中使用藍(lán)牙通信模塊。

（三）語音識(shí)別芯片

將垃圾分類的功能加入到人工智能中，這其實(shí)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(shè)計(jì)在垃圾分類的基礎(chǔ)上還要應(yīng)對不同的場合創(chuàng)新產(chǎn)品，加入語音識(shí)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(wù)，這是對不同環(huán)境下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

此語音芯片是一款具有PWM輸出的OTP語音標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定，顯著不足為音量不可調(diào)。OTP芯片的另外一種輸出方式是DAC，這款語音芯片彌補(bǔ)了PWN額不足，播放音量是可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整的。芯片共有3個(gè)IO 口，只需要一個(gè)104電容就可以滿足工作所需，成本低廉。因?yàn)榇水a(chǎn)品的元件少所以價(jià)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(dòng)開蓋垃圾桶需要使用者用手開蓋，在使用過程中難免會(huì)直接接觸到垃圾桶。若不設(shè)置桶蓋，垃圾桶的異味會(huì)影響人們的生活和工作環(huán)境，且無法引導(dǎo)使用者進(jìn)行正確的垃圾分類?？紤]到以上這些問題，本設(shè)計(jì)采用垃圾桶自動(dòng)開蓋的思路，即可以檢測到使用者的靠近，自動(dòng)喚醒語音系統(tǒng)，通過語音提示，垃圾桶自動(dòng)打開對應(yīng)的存儲(chǔ)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(chǎn)品使用紅外感應(yīng)和超聲波距離檢測模塊，由微處理器控制，實(shí)現(xiàn)OLED屏幕的自動(dòng)喚醒。

本設(shè)計(jì)的傳感模塊是由兩個(gè)接受與發(fā)射紅外信號(hào)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(hào)，若遇到障礙物使用者會(huì)立即反彈，由固定的接收管進(jìn)行接收，此信號(hào)將通過傳感器接口返回主機(jī)。

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(jià)格低廉，適用于電池供電的設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。該超聲測距傳感器模塊具有一對脈沖信號(hào)發(fā)射與接收的超聲波傳感器，一個(gè)用作超聲波發(fā)射器，發(fā)出40khz超聲波信號(hào)；一個(gè)用于接收反射的信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)行反射，被接收器接收，通過時(shí)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(jìn)行計(jì)算。當(dāng)桶身與障礙物之間的距離在10～20公分之間時(shí)，OLED屏幕將會(huì)被喚醒。

（五）垃圾存儲(chǔ)箱材質(zhì)使用

本設(shè)計(jì)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(nèi)膽。為進(jìn)一步提高垃圾桶安全性，將采用有機(jī)硅橡膠附著在不銹鋼內(nèi)膽上。

本設(shè)計(jì)使用的涂層材料是利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行改造的有機(jī)硅橡膠基體。另一種市面上常用的耐高溫涂料是有機(jī)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(yuǎn)優(yōu)于其他材料，但其價(jià)格較高，所以沒有使用這種材料，而是運(yùn)用有機(jī)硅橡膠實(shí)現(xiàn)耐熱性、耐化學(xué)腐蝕性及力學(xué)性能的提升。

五、結(jié)語

本設(shè)計(jì)圍繞通過使用智能垃圾桶語音引導(dǎo)群眾進(jìn)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(shè)計(jì)投入城市供居民、消費(fèi)者使用，將有望增強(qiáng)居民、消費(fèi)者垃圾分類投放的意識(shí)，豐富其與垃圾分類相關(guān)的知識(shí)，緩解垃圾分揀終端的工作壓力。與此同時(shí)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(yùn)送過來的固態(tài)干垃圾做進(jìn)一步的分揀，進(jìn)行最終的再生資源回收。本設(shè)計(jì)適用于全國各類大中城市，有著良好的廣闊的應(yīng)用前景。

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＊基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（202013571047T）；無錫市科協(xié)軟課題（KX-21-B09）；江蘇高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究一般項(xiàng)目（2021SJA0904）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202101301063）。

（作者單位：無錫太湖學(xué)院。彭巖為通信作者）