具有人机交互功能的智能垃圾分类装置的设计*

李学伟 ， 赵晨星 ， 寇 涵 ， 贾锡振 ， 孟昕元

（河南工学院智能工程学院，河南 新乡 453003）

0 引言

据世行报告预测，随着快速城市化、人口增长和经济发展，全球垃圾量2030年将达到25.9亿吨，2050年将达到34亿吨[1]。近年来，越来越多的人开始关注垃圾分类，但情况依然严峻。为了解决日益严重的城市环境问题和资源有限的问题，垃圾分类显得尤为重要[2]。国内外学者提出的方案多为末端回收方法的创新，前端收集依赖于人们的自觉性，垃圾分类效率很低，周期长，导致末端过程难度增大，解决垃圾分类前端问题对于垃圾分类现状具有重要意义[3-4]。

我国城镇人口中50%以上为上班族，随着城市生活节奏的逐渐加快，大多上班族工作忙碌，早出晚归，很难有时间对生活垃圾进行精细分类。第七次全国人口普查报告显示，60岁及以上老年人口超2.64亿[5]，老年人对垃圾分类接受较慢，有相当一部分难以完成对生活垃圾的分类。据世界卫生组织和《2006第二次全国残疾人抽样调查资料》统计数据，中国约有1 233万盲人，占整个世界盲人数的20%，是全世界盲人最多的国家[6]。

为解决上述问题，针对老年人、上班族和盲人等群体设计了一种具有人机交互功能的智能垃圾分类装置，通过语音辨识实现自主分类投放[7]，并具有满载提醒和红外杀菌等功能。该智能垃圾分类装置很好地解决了垃圾分类的前端问题，帮助人们从源头实施垃圾分类，且生产成本较低，目标人群明确，具有很高的实用价值。

1 系统总体方案设计

智能垃圾分类装置采用和普通家电相同的220 V交流电源供电，其总体方案设计包括机械结构设计和控制系统设计两大部分。其中，机械结构由开盖装置、云台分类装置、压缩装置三大部分构成，采用六边形结构作为主体结构，兼具美观和实用性，总体结构如图1所示。控制系统设计主要包括投放检测单元、语音辨识单元、满载检测单元、人机交互单元四大部分，选用了超声波模块、红外检测模块、语音识别模块、语音播报模块和紫外线消毒灯来实现相关功能。

图1 智能垃圾分类装置三维模型图

在电源被接通后，除开盖装置和投放检测单元外，其他各单元均为休眠状态。当垃圾投放人员靠近时，投放检测单元控制开盖装置打开投放口并唤醒其他单元和装置进入工作状态。投放人员将垃圾投入投放口并说出垃圾名称，语音辨识单元识别成功后，控制云台将垃圾投放至对应容器内，若识别不成功则人机交互单元提醒投放人员重新口述垃圾名称或垃圾种类。投放成功后容器对应区域的绿色指示灯亮3 s，同时人机交互单元播报语音信息提示分类结果。一次投放结束后，20 s内无二次投放则关闭投放口，重新进入待机状态。紫外线灯每72 h亮30 min杀菌一次，杀菌过程中当有使用者靠近时，人机交互系统播报语音提醒使用者远离，待杀菌结束后再进行投放。

2 机械结构设计

智能垃圾分类装置的机械结构设计融入了人性化设计理念，桶体采用六边形作为主体结构，桶体上方设有唯一投放口，六块区域分别为四类垃圾存放容器、压缩过的易拉罐存放容器和集成控制箱，每个存放容器均设置拉环，可以拉出加装常用家庭垃圾袋，方便垃圾的移除和垃圾袋的更换。各部分结构对应位置如图2所示。

图2 智能垃圾分类装置剖面图

云台分类装置位于容器内，是整个智能垃圾分类装置的核心结构，由收集斗和二轴云台组成。二轴云台由两个数字舵机驱动，两个自由度分别绕X轴和Z轴旋转，如图3所示。控制收集斗绕Z轴旋转的舵机选用270°数字舵机，可以保障旋转角度覆盖四个普通存放容器和一个易拉罐存放容器。控制收集斗绕X轴翻转的舵机选用20 kg大扭矩数字舵机，配合金属摆臂，使收集斗所能承受的垃圾重量达到最大限度，增强装置整体的环境适应性。

图3 云台分类装置三维模型图

3 控制系统设计

控制系统选用基于ATMEGA328P-AU芯片的Arduino NANO作为主控制器，该主控芯片采用了先进的RISC体系结构，工作温度在-40 ℃～85 ℃，可以满足使用要求。为避免控制系统受到电源电压波动的干扰，该装置采用了双电源供电方案，将控制系统电源和驱动装置电源分开，并整流滤波使电压稳定，极大地提高了系统的整体稳定性，控制系统结构图如图4所示。

图4 控制系统关系结构框图

3.1 投放检测单元

该装置选用低成本、低功耗的HC-SR04超声波模块作为投放检测单元的前端传感器。通过I/O口TRIG触发测距后，模块自动发送40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回。当有信号返回时，I/O口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间T，通过公式d=(T*c)/2计算出距离，c为声速，取340 m/s[8]。该模块测量精度可达0.2 cm，测量距离为2 cm～450 cm，符合设计需要。上电后触发检测，当检测到距离容器前方20 cm内有人员进入时，唤醒其他单元，投放口打开，垃圾箱进入工作状态，等待投放者投入垃圾和口述垃圾名称。

3.2 语音辨识单元

语音辨识单元采用LD3320芯片的语音识别模块，该芯片采用“关键词语列表”（Auto Speech Rec⁃ognition，ASR）[9]的识别技术来实现语音识别。芯片能存储50条关键词语句，关键词语长度最大可达9个中文字，每个中文字用其对应的拼音表示[10]，样例如表1所示。因此，该装置语音辨识单元设置1个唤醒词关键词、4个垃圾类别关键词和45个常用生活垃圾名称关键词，覆盖了基本的四类垃圾种类名称和99%以上的生活垃圾名称。

表1 LD3320写入识别列表样例

3.3 满载检测单元

满载检测单元采用对环境光线适应能力强的红外传感器模块，有效测量距离为2 cm～30 cm，检测角度35°。其具有一对发射二极管与接收二极管，发射二极管发射出一定频率的红外线，经过物体反射后接收二极管接收，经过比较电路处理后通过信号输出口输出数字信号。上电触发一次检测，当桶内垃圾数量超过该桶的80%时，达到设定高度，传感器输出一个数字信号给主控制器，主控制器控制人机交互系统发出提示使用者存放桶已满的声音信号和灯光信号。

3.4 人机交互单元

人机交互单元采用LED指示灯显示和语音播报模块播报两种方式给使用者传递反馈信息，兼具了低成本和实用性，让盲人群体也可以无障碍使用。正常工作状态时，若满载检测单元检测到桶满，则红色LED灯亮，同时语音播报模块播报“X号桶已满，请清理”；语音辨识单元成功识别垃圾种类并由云台分类装置成功将其投放后绿色LED灯亮3 s，同时语音播报模块播报“投放成功”。若语音辨识单元识别不成功，立即播报“请重新说出垃圾名称”。进入工作状态，桶盖打开时，语音播报模块发出“桶盖已开，请投放”的语音提示。在杀菌状态时，红色LED和绿色LED交替闪烁，警示提醒使用者请勿靠近，检测到有使用者靠近时，语音播报模块播报“正在杀菌，请勿靠近”，防止使用者在杀菌时因投放垃圾或打开箱体被紫外线灼伤。

4 控制系统设计

该智能垃圾分类装置在完成各功能方案设计后，按照1∶1比例搭建了实验样机，如图5所示。搭建完成后进行了联机调试和实验验证，重点测试了识别投放精准度。

图5 实验样机实物图

根据对实验样机进行性能测试，可以得出如下结果：

1）该智能垃圾分类装置，在口述垃圾名称后一次成功率可达到98%，二次识别成功率达100%，超出平均水平，可以满足使用需求。如表2所示。

表2 实验数据汇总表

2）实验样机总制作成本为226元，如批量生产，价格将进一步降低，在小型家用电器平均成本以下，仅比市面上普通（无识别分类功能）的智能垃圾分类装置高出100元，容纳量为普通垃圾桶的4倍。如表3所示。

表3 实验样机成本核算表

5 总结

综上所述，该具有人机交互功能的智能垃圾分类装置有适用人群广、成本低、操作简单、智能化程度高等优点。设计极大地考虑到了使用者的用户体验，满足了上班族、老人、盲人等不同用户群体的需求，实现了快速自动完成垃圾分类和投放，是垃圾分类前端收集装置的一次创新性设计。