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摘要：针对环保行业亟需一款方便大众使用的智能垃圾桶的需求，结合CATIA软件的建模优势，在机械结构设计过程中进行优化设计，并利用Al-tium Designer软件设计了垃圾桶的电子电路结构。解决了现有垃圾桶存贮空间小、散发异味大、不能自动分类等问题，并以ATMEGA328P单片机为核心，采用压力感应模块、WiFi通讯模块和语音识别模块实现了智能垃圾桶的多种功能。该多功能智能垃圾桶生产制造成本低，具有极高的经济效益与社会效益，可显著提升居民生活质量，为城市美化增添新的活力。
关键词：机械设计;垃圾桶;压缩;隔绝异味;语音识别;智能分类
中图分类号：TH122;TP23 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0146—03
0引言
垃圾桶在人们的日常生活中起着举足轻重的作用。但是现有垃圾桶存放空间很小，特别容易产生垃圾虚满导致外溢的现象，对垃圾桶周边的环境产生影响。现有垃圾桶往往在造型上采用了许多的曲面，造成了其表面不易清洁、使用寿命短等问题。特别是这类垃圾桶普遍没有采用隔绝气味设计，垃圾桶由于长期存放垃圾而散发的刺鼻气味会极大影响环境，甚至有些如装修废料等有害垃圾会散发出甲醛等有毒气体，危害居民身体健康。
《国际联合早报》研究报告显示，到2050年，全球垃圾量将增加70%，将从2016年的20.1亿吨增至2050年的34亿吨，垃圾收集任务十分艰巨，研究一种有效的智能化多功能垃圾桶已十分紧迫。近年来，随着政府垃圾分类相关政策的出台和居民环境保护意识的增强，垃圾分类正成为社会新风尚。但市场上尚无一种可应用于公共场所的可智能分类垃圾桶，一些扔垃圾者不知道如何正确投放自己手中的垃圾。
魏子碹等采用语音识别技术进行垃圾智能分类，但未设计出一款适合其技术的垃圾桶硬件结构。黄璐等和李素云等均从硬件结构进行新型垃圾桶的设计研究，没有综合考虑软硬件创新结合，从而完美解决垃圾收集问题。为解决上述问题，本设计通过CATIA建模设计了一种可压缩和隔绝异味的垃圾桶，并且可通过语音识别进行垃圾智能分类。该智能垃圾桶可以提高居民生活质量，符合智能家居便利性、舒适性、绿色环保的理念。
1系统总体结构
图1所示为智能垃圾桶在CATIA环境下的实物模拟图。智能垃圾桶整体高度100 cm，整个桶体为了美观和减少不必要的曲面采用了圆柱形设计，在桶盖上有圆形进垃圾口。CATIA的制图数据能根据设计者的需要进行任意修改，因此垃圾桶的高度及容积大小可根据实际需要随时修改。
智能垃圾桶的整体结构分为机械结构和电子电路结构。机械结构包括压缩装置、异味隔绝装置和智能分类装置;电子电路结构包括内部的线路连接、压力感应模块、WiFi通讯模块和语音识别模块。系统总体结构如图2所示。
2机械结构
通过CATIA软件进行结构性建模，为实现垃圾分类进行了多桶体的优化设计;为实现隔绝异味，运用密封海绵体和液封槽对气味问题做隔绝;为解决垃圾体积膨大，进行了压缩装置的设计，最终实现了垃圾箱的三维结构性设计，具体如图1所示。智能垃圾桶的结构如图3所示。垃圾桶使用的舵机型号均为DS3218，扭矩为20kg·om，质量只有60 g，工作电压为5.0～6.5V.
2.1压缩装置
智能分类垃圾桶结构如图3所示。1为状态指示灯，用于给投垃圾者提醒该垃圾桶是否已满，正常使用时为绿色，垃圾已满时指示灯为红色。2为麦克风口，用于采集投垃圾者的音频信息，并将之传输给语音识别模块。3为垃圾桶盖扶手，采用左右对称设计，方便清洁人员双手轻松提起垃圾桶盖，清理回收桶内垃圾。4为投垃圾口，本智能分类垃圾桶使用时，投垃圾者最终从此口将垃圾投入。5为压缩装置，由可伸缩液压机构和扇形压缩板组成，压缩板底部有压力传感器，当压力传感器监测到垃圾虚满时可伸缩液压机构伸长将垃圾压缩后收回。
压缩装置设计了一种可伸缩液压机构，其上端与垃圾桶盖固定连接，下端与压缩板固定连接，非工作状态时可伸缩液压机构收缩，带动压缩板收回与垃圾桶盖底部平齐，工作状态时可伸缩压缩机构伸长，带动压缩板对虚满垃圾进行压缩。图4所示为压缩装置放大图，其处于半伸长状态。
2.2异味隔绝装置
如图3所示，6为异味隔绝装置，由液封槽和海绵垫圈构成，使用时在液封槽中注入少量液体，盖上桶盖后液封凹槽与垃圾桶盖的凸出紧密结合，液封槽内液体便可将桶内异味与外界隔离，其放大图如图5所示。如图6所示，垃圾投放口采用旋转开关结构，只有在投放垃圾时才打开，平时关闭，此设计进一步避免异味的散发。同时在垃圾桶盖和垃圾桶内筒壁上填充一层活性纤维炭，利用炭良好的吸附性能净化空气，美化周围环境，避免招引飞虫。该物理方法去除异味具有经济、有效的特点，并且不占用太多内部空间，实现“小空间、大容量”的功能。
2.3分类存贮装置
图3中，可回收垃圾储存箱体7为绿色箱体，不可回收垃圾储存箱体8为黄色箱体，有害垃圾储存箱体9为红色箱体。3个箱体虽在外桶内部，但其颜色仍与国家现行垃圾分类规定一致，体现了产品设计的严谨，并有利于清洁人员清理垃圾桶时快速识别属于哪一类垃圾。10为转轴，垃圾桶日常工作时，电机驱动3个箱体沿转轴转动，使投垃圾者手中垃圾对应的箱体对准投垃圾口，实现垃圾的智能分类并存储;同时3个箱体分别以嵌套的形式装在转轴上，清洁人员清理时只需将箱体竖直向上提起便可取下箱体，从而完成垃圾桶中垃圾的清理。11为外筒，12为底座，均由可降解塑料制成，低成本的同时符合绿色环保的理念。
通常，清洁工人每清理一个分類垃圾桶平均用时45 s，假如使用智能垃圾桶，只需一次装车就能完成，这样至少节省25～35 s的时间，相当于提高工作效率2～3倍，也就是说可以减少1/2至2/3的清洁工人。经成本计算，创新设计的智能垃圾桶成本只比传统垃圾桶多70元左右，但可大大节省人工，减少人员工资，提升环境质量。因此，多功能智能垃圾桶对环保部门来说，经济效益明显。 3电子电路结构
3.1系统硬件结构
可压缩、隔绝异味智能分类垃圾桶系统采用AT-MEGA328P单片机为主控核心，其为一款8位AVR单片机。该单片机具有功耗低、性能强的优点，同时具备六通道PWM输出，可用于舵机和步进电机的控制。步进电机选用42步进电机，该电机扭矩大，可以使得3个分类箱体旋转时快速、平稳运行。系统采用垃圾桶盖顶部的太阳能面板进行供电，中部嵌入有蓄电池，保证了晴天和阴天垃圾桶均能正常使用，且节能环保。
3.2压力感应模块
压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出电信号的器件或装置。垃圾桶系统通过压力传感器检测到垃圾虚满后，底部电机自动驱动3个箱体旋转将虚满的箱体转至压缩装置下方，然后可伸缩液压机构伸长使压缩板向下压缩，当达到压力值上限后可伸缩液压机构收缩带动压缩板恢复原位。
3.3 WiFi通讯模块
垃圾桶采用ESP8266-WiFi芯片，采用WiFi形式实现远程通信。当压缩数次之后，压力传感器感应到垃圾饱和之后可伸缩液压机构不再压缩。此时状态指示灯由绿色变为红色，提醒扔垃圾者不要再向此垃圾桶投放垃圾;同时，垃圾箱通过WiFi通讯模块将本垃圾桶已满的信息发送至清洁人员手机，提醒清洁人员快速进行清理。
3.4语音识别模块
可压缩、隔绝异味智能分类垃圾桶语音识别模块采用LD3320语音识别芯片的“关键词语列表”（Auto Speech Rec-ognition，ASR）的识别技术来实现。该芯片存储了约60条关键词语，每条关键词语长度可达5或6个中文字，每个中文字用其对应的拼音表示。基于此，本设计将50种不同的垃圾名称以及3种不同的垃圾类别名称预存储在该芯片中。其中，可回收垃圾、不可回收垃圾、有害垃圾分别用数字0、1、2进行编码。当芯片被唤醒后，首先通过麦克风收集扔垃圾者口述待扔的垃圾名称或所属的垃圾类别的语音信息，然后对该语音信息进行识别，并将识别到的垃圾名称或所属垃圾类别与预存储的关键词进行匹配。匹配成功后，返回该垃圾所属垃圾类别对应的数字或该垃圾类别对应的数字，如图2所示。芯片将返回的数字作为一条指令发送给ATMEGA328P单片机，ATMEGA328P单片机控制电机驱动相应的箱体旋转至投垃圾口下方，然后投垃圾口挡板旋转打开，扔垃圾者完成垃圾投放，最后投垃圾口挡板旋转关闭，此时智能分类垃圾桶也实现了垃圾的分类存储。
4结束语
本文设计了一个基于压缩装置、异味隔绝装置、分类存贮装置和语音识别技术的可压缩、隔绝异味智能分类垃圾桶，实现了以下功能：
（1）通过压缩装置压缩虚满的垃圾;
（2）通过异味隔绝装置将垃圾桶内异味与外界隔离;
（3）通过分类存贮装置配合语音识别技术将投入的垃圾进行分类存贮;
（4）通过WiFi通讯實现了与手机终端的通讯功能。
综上，该可压缩、隔绝异味智能分类垃圾桶自动化程度高，有效解决了垃圾溢出、异味和如何分类等问题，具有极高的经济效益与社会效益。
关键词：机械设计;垃圾桶;压缩;隔绝异味;语音识别;智能分类
中图分类号：TH122;TP23 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0146—03
0引言
垃圾桶在人们的日常生活中起着举足轻重的作用。但是现有垃圾桶存放空间很小，特别容易产生垃圾虚满导致外溢的现象，对垃圾桶周边的环境产生影响。现有垃圾桶往往在造型上采用了许多的曲面，造成了其表面不易清洁、使用寿命短等问题。特别是这类垃圾桶普遍没有采用隔绝气味设计，垃圾桶由于长期存放垃圾而散发的刺鼻气味会极大影响环境，甚至有些如装修废料等有害垃圾会散发出甲醛等有毒气体，危害居民身体健康。
《国际联合早报》研究报告显示，到2050年，全球垃圾量将增加70%，将从2016年的20.1亿吨增至2050年的34亿吨，垃圾收集任务十分艰巨，研究一种有效的智能化多功能垃圾桶已十分紧迫。近年来，随着政府垃圾分类相关政策的出台和居民环境保护意识的增强，垃圾分类正成为社会新风尚。但市场上尚无一种可应用于公共场所的可智能分类垃圾桶，一些扔垃圾者不知道如何正确投放自己手中的垃圾。
魏子碹等采用语音识别技术进行垃圾智能分类，但未设计出一款适合其技术的垃圾桶硬件结构。黄璐等和李素云等均从硬件结构进行新型垃圾桶的设计研究，没有综合考虑软硬件创新结合，从而完美解决垃圾收集问题。为解决上述问题，本设计通过CATIA建模设计了一种可压缩和隔绝异味的垃圾桶，并且可通过语音识别进行垃圾智能分类。该智能垃圾桶可以提高居民生活质量，符合智能家居便利性、舒适性、绿色环保的理念。
1系统总体结构
图1所示为智能垃圾桶在CATIA环境下的实物模拟图。智能垃圾桶整体高度100 cm，整个桶体为了美观和减少不必要的曲面采用了圆柱形设计，在桶盖上有圆形进垃圾口。CATIA的制图数据能根据设计者的需要进行任意修改，因此垃圾桶的高度及容积大小可根据实际需要随时修改。
智能垃圾桶的整体结构分为机械结构和电子电路结构。机械结构包括压缩装置、异味隔绝装置和智能分类装置;电子电路结构包括内部的线路连接、压力感应模块、WiFi通讯模块和语音识别模块。系统总体结构如图2所示。
2机械结构
通过CATIA软件进行结构性建模，为实现垃圾分类进行了多桶体的优化设计;为实现隔绝异味，运用密封海绵体和液封槽对气味问题做隔绝;为解决垃圾体积膨大，进行了压缩装置的设计，最终实现了垃圾箱的三维结构性设计，具体如图1所示。智能垃圾桶的结构如图3所示。垃圾桶使用的舵机型号均为DS3218，扭矩为20kg·om，质量只有60 g，工作电压为5.0～6.5V.
2.1压缩装置
智能分类垃圾桶结构如图3所示。1为状态指示灯，用于给投垃圾者提醒该垃圾桶是否已满，正常使用时为绿色，垃圾已满时指示灯为红色。2为麦克风口，用于采集投垃圾者的音频信息，并将之传输给语音识别模块。3为垃圾桶盖扶手，采用左右对称设计，方便清洁人员双手轻松提起垃圾桶盖，清理回收桶内垃圾。4为投垃圾口，本智能分类垃圾桶使用时，投垃圾者最终从此口将垃圾投入。5为压缩装置，由可伸缩液压机构和扇形压缩板组成，压缩板底部有压力传感器，当压力传感器监测到垃圾虚满时可伸缩液压机构伸长将垃圾压缩后收回。
压缩装置设计了一种可伸缩液压机构，其上端与垃圾桶盖固定连接，下端与压缩板固定连接，非工作状态时可伸缩液压机构收缩，带动压缩板收回与垃圾桶盖底部平齐，工作状态时可伸缩压缩机构伸长，带动压缩板对虚满垃圾进行压缩。图4所示为压缩装置放大图，其处于半伸长状态。
2.2异味隔绝装置
如图3所示，6为异味隔绝装置，由液封槽和海绵垫圈构成，使用时在液封槽中注入少量液体，盖上桶盖后液封凹槽与垃圾桶盖的凸出紧密结合，液封槽内液体便可将桶内异味与外界隔离，其放大图如图5所示。如图6所示，垃圾投放口采用旋转开关结构，只有在投放垃圾时才打开，平时关闭，此设计进一步避免异味的散发。同时在垃圾桶盖和垃圾桶内筒壁上填充一层活性纤维炭，利用炭良好的吸附性能净化空气，美化周围环境，避免招引飞虫。该物理方法去除异味具有经济、有效的特点，并且不占用太多内部空间，实现“小空间、大容量”的功能。
2.3分类存贮装置
图3中，可回收垃圾储存箱体7为绿色箱体，不可回收垃圾储存箱体8为黄色箱体，有害垃圾储存箱体9为红色箱体。3个箱体虽在外桶内部，但其颜色仍与国家现行垃圾分类规定一致，体现了产品设计的严谨，并有利于清洁人员清理垃圾桶时快速识别属于哪一类垃圾。10为转轴，垃圾桶日常工作时，电机驱动3个箱体沿转轴转动，使投垃圾者手中垃圾对应的箱体对准投垃圾口，实现垃圾的智能分类并存储;同时3个箱体分别以嵌套的形式装在转轴上，清洁人员清理时只需将箱体竖直向上提起便可取下箱体，从而完成垃圾桶中垃圾的清理。11为外筒，12为底座，均由可降解塑料制成，低成本的同时符合绿色环保的理念。
通常，清洁工人每清理一个分類垃圾桶平均用时45 s，假如使用智能垃圾桶，只需一次装车就能完成，这样至少节省25～35 s的时间，相当于提高工作效率2～3倍，也就是说可以减少1/2至2/3的清洁工人。经成本计算，创新设计的智能垃圾桶成本只比传统垃圾桶多70元左右，但可大大节省人工，减少人员工资，提升环境质量。因此，多功能智能垃圾桶对环保部门来说，经济效益明显。 3电子电路结构
3.1系统硬件结构
可压缩、隔绝异味智能分类垃圾桶系统采用AT-MEGA328P单片机为主控核心，其为一款8位AVR单片机。该单片机具有功耗低、性能强的优点，同时具备六通道PWM输出，可用于舵机和步进电机的控制。步进电机选用42步进电机，该电机扭矩大，可以使得3个分类箱体旋转时快速、平稳运行。系统采用垃圾桶盖顶部的太阳能面板进行供电，中部嵌入有蓄电池，保证了晴天和阴天垃圾桶均能正常使用，且节能环保。
3.2压力感应模块
压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出电信号的器件或装置。垃圾桶系统通过压力传感器检测到垃圾虚满后，底部电机自动驱动3个箱体旋转将虚满的箱体转至压缩装置下方，然后可伸缩液压机构伸长使压缩板向下压缩，当达到压力值上限后可伸缩液压机构收缩带动压缩板恢复原位。
3.3 WiFi通讯模块
垃圾桶采用ESP8266-WiFi芯片，采用WiFi形式实现远程通信。当压缩数次之后，压力传感器感应到垃圾饱和之后可伸缩液压机构不再压缩。此时状态指示灯由绿色变为红色，提醒扔垃圾者不要再向此垃圾桶投放垃圾;同时，垃圾箱通过WiFi通讯模块将本垃圾桶已满的信息发送至清洁人员手机，提醒清洁人员快速进行清理。
3.4语音识别模块
可压缩、隔绝异味智能分类垃圾桶语音识别模块采用LD3320语音识别芯片的“关键词语列表”（Auto Speech Rec-ognition，ASR）的识别技术来实现。该芯片存储了约60条关键词语，每条关键词语长度可达5或6个中文字，每个中文字用其对应的拼音表示。基于此，本设计将50种不同的垃圾名称以及3种不同的垃圾类别名称预存储在该芯片中。其中，可回收垃圾、不可回收垃圾、有害垃圾分别用数字0、1、2进行编码。当芯片被唤醒后，首先通过麦克风收集扔垃圾者口述待扔的垃圾名称或所属的垃圾类别的语音信息，然后对该语音信息进行识别，并将识别到的垃圾名称或所属垃圾类别与预存储的关键词进行匹配。匹配成功后，返回该垃圾所属垃圾类别对应的数字或该垃圾类别对应的数字，如图2所示。芯片将返回的数字作为一条指令发送给ATMEGA328P单片机，ATMEGA328P单片机控制电机驱动相应的箱体旋转至投垃圾口下方，然后投垃圾口挡板旋转打开，扔垃圾者完成垃圾投放，最后投垃圾口挡板旋转关闭，此时智能分类垃圾桶也实现了垃圾的分类存储。
4结束语
本文设计了一个基于压缩装置、异味隔绝装置、分类存贮装置和语音识别技术的可压缩、隔绝异味智能分类垃圾桶，实现了以下功能：
（1）通过压缩装置压缩虚满的垃圾;
（2）通过异味隔绝装置将垃圾桶内异味与外界隔离;
（3）通过分类存贮装置配合语音识别技术将投入的垃圾进行分类存贮;
（4）通过WiFi通讯實现了与手机终端的通讯功能。
综上，该可压缩、隔绝异味智能分类垃圾桶自动化程度高，有效解决了垃圾溢出、异味和如何分类等问题，具有极高的经济效益与社会效益。