节能交互型智能垃圾桶的设计
2021.06科学技术创新节能交互型智能垃圾桶的设计
郭心如郝慧荣耿正龙丁智军邱洋懿薛佳乐
(内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特010051)
中国共产党十九大报告提出着力解决突出环境问题。近年来，中国加速推行垃圾分类制度，全国垃圾分类工作由点到面、逐步启动、成效初显。习近平主席强调，实行垃圾分类，关系广大人民众生活环境，关系节约使用资源，也是社会文明水平的一个重要体现。垃圾桶是重要的保洁工具，协调人与城市环境关系，也影响着垃圾回收效率[1]。
1国内外状况对比
1.1国内外垃圾分类处理分析
现阶段，传统填埋式垃圾处理方式已经难以满足日渐增长的垃圾处理需要，旨在减量化、资源化的垃圾分类制度成了必然选择。
西方发达国家早在20世纪60年代就开始实施生活垃圾源头分类，经过半个世纪已经形成一套比较完整的分类体系并取得显著成效。交互池和变形器怎么卸载
表1为国内外垃圾分类的对比。中国目前基本处于政府部门主导、全方位管理运营、垃圾混合收集阶段，一方面增加了垃圾收集运输的工作量；另一方面增加了垃圾处理的技术难度、工程投资和运行费用。且垃圾分类收集缺乏法律法规及技术标准和设备设施支持，宣传教育工作不到位，民众认知程度低，参与积极性小[3]。(转下页)
摘要：城市化进程以指数级加快，随之而来的突出环境问题已引起全球关注。在对国内外垃圾桶使用现状、垃圾分类制度及相关环境保护领域的深度调研基础上，这款节能交互型智能垃圾桶应运而生，旨在资源化、减量化。此垃圾桶本体内分为多个腔体并设有电池，利用红外线传感检测、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、蓝牙、GPS和太阳能电池板等模块配合中央控制器实现垃圾桶智能化，用于智能识别、传递、压缩、分类垃圾和实时监测运行状况。不仅实现垃圾自动分类，还具有人机交互、短距离自动跟随、垃圾溢满自动提醒、箱外广告等多种功能，丰富城市的科技感和自然人文美，具有广阔的发展前景和一定的社会应用价值。
关键词：节能；交互型；户外；智能分类；自动跟随
中图分类号:G634.98文献标识码:A文章编号:2096-4390(2021)06-0143-03
坏，增加了被保护煤层煤体的渗透率，为充分研究煤体围岩压力卸除后的影响特征，采用自制的瓦斯三轴渗流试验系统研究了近距离煤层保护层开采对被保护层卸载煤体渗透率的影响。
5.1型煤试块加载破坏和围压卸除破坏存在明显差异，卸载前的围岩压力加载过程，型煤试块的渗透率逐步降低。随着载荷的逐步卸除，类同于给型煤试块施加了轴向拉应力，型煤试块的裂隙空间开始扩大型煤试块的渗透率也逐渐升高。以施加围岩压力7M Pa时的型煤试块为例，初始型煤试块的渗透率为1.713m D；载荷卸载前的围压加载过程中，型煤试块的渗透率逐步减小；围岩压力不断的卸载过程中，渗透率分别为1.234m D、1.247m D、1.337m D、2.189m D。
5.2卸载煤体的渗透率试验充分证明了保护煤层的开采为被保护层提供了应力卸除空间，被保护煤层的煤体内部出现煤体变形、内部损伤、结构破坏，增加了被保护煤层煤体的渗透率，是被保护层煤体能够实现卸压瓦斯抽采、防治煤与瓦斯突出的技术关键。
参考文献
[1]仇海生.黔北矿区近距离煤层保护层开采及保护效果检验技术研究[D].阜新：辽宁工程技术大学,2017.
[2]齐庆新，李红艳等.采动应力裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应[R].北京：科学出版社,2012,160-165.
[3]黄润秋，黄达.卸载条件下岩石变形特征及本构模型研究[J].地球科学进展,2008,23(5):441-446.
[4]邱士利，冯夏庭，张传庆，等.不同卸围压速率下深埋大理岩卸载力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(9):1807-1817.
[5]吴玉山，李纪鼎.大理岩卸载力学特性的研究[J].岩土力学, 1984,5(1):29-36.
[6]李宏哲，夏才初，闫子舰等.锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸载力学特性研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(10):2104-2109.
[7]李圣伟，高明忠，谢晶，等.保护层开采卸压增透效应及其定量表征方法研究[J].四川大学学报,2016,48(增1):1-6.
辽宁省“百千万人才工程”资助项目(辽百千万立项【2017】21号)资助；辽宁省自然科学基金(20180540010)资助。
作者简介：仇海生(1979-)，男，籍贯：江苏射阳，工学博士，研究员，一直从事矿井瓦斯防治研究工作，发表论文二十余篇。
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科学技术创新2021.06
1.2国内外垃圾桶使用分析
目前国内公共垃圾桶主要分为固定型和可移动型两种。形式单一，结构采用了传统的开放式或手动封盖式，功能简单，设计只完成了中间环节，忽略垃圾后续处理问题，垃圾混装收运现象也严重破坏了可回收物垃圾桶的分类效果[4]。
美国垃圾回收企业有专业人员进行垃圾分类回收，设备研发，运用高科技进行垃圾分类分解。美国Bi g Bel l y Sol ar公司发明了一种智能垃圾桶，通过顶部太阳能为垃圾桶提供电源，压缩机在垃圾快倒满40秒内将其体积压缩至原来的1/5，等到垃圾满时又会自动联网发送垃圾桶已满及地理位置等信息至垃圾处理中心。
日本从1980年起就开始执行垃圾分类，垃圾分类达8类513款，政府制定了一系列法律来规范国民的垃圾分类，比如高额罚金等。日本公共场所的垃圾桶并排摆放不少于3个，分类极为详细，连香烟盒这种垃圾都可以被分成3种材料丢弃：外包的薄膜是塑料，盒子是纸制，封口的一圈铝箔是金属[5]。
在德国，每栋居民楼都配有四种颜鲜明的垃圾桶。比如，在柏林有蓝、绿、黄和灰四种颜的垃圾桶。蓝桶放可回收利用的纸类，绿桶放玻璃制品，黄桶放塑料包装、金属垃圾和日常废旧塑料等，灰桶放有机垃圾[6]。表2给出了国内外垃圾桶使用的优缺点对比。
表2国内外垃圾桶使用的优缺点对比
2垃圾桶硬件设计
2.1垃圾桶
图1为垃圾桶结构设计概念图。
此垃圾桶基于传统垃圾桶的设计结构增加了部分机械装置和电子智能装置。该桶将用于垃圾分类的小型垃圾桶置于一个大型桶中，投放垃圾后，垃圾将在一条非常长的通道被扫描判断。当垃圾种类确定后，利用原动机给予的能量,ECU发出指令来控制垃圾桶盖的闭合和机械爪手对垃圾的传送。当垃圾即将装满时，对其进行机械式压缩，再次装满时，垃圾桶自动连接物联网发送相关数据提醒相关人员及时清理垃圾。
2.2机械传动装置
投放口链接通道会很长以便准确地检验垃圾种类。此部分将利用原动机供给的能量、ECU的指令来控制桶盖的闭合与垃圾的传送，最后根据垃圾的种类、压缩机构的特点等，将存储在内部的垃圾进行机械式压缩。其逻辑图为图2所示。
图2机械传动装置逻辑图
考虑到垃圾桶盖卫生问题，设计了自动开关桶盖，利用红外测距传感器，当检测到有物体靠近时，自动打开桶盖,10秒后自动盖上。这样在人们投掷垃圾的时候，手不会被弄脏，功能实用且人性化。
2.3能源设计
在垃圾桶的顶部安装太阳能板，并为其设计了一种提高太阳能光电转化效率的控制装置，基于用户移动设备定位的太阳能自动追光装置及追光方法，通过分析太阳的角度来转动太阳能板，使太阳能板更多地吸收太阳光。图3为此装置控制流程。当用户投放垃圾时，定位模块开始工作，数据分析出结果以后控制模块驱动步进电机来调整自动追光装置，太阳能转化后的电能一部分供给垃圾桶运转工作，另一部分反向给电池充电或自身存储，保持在某些特定条件下继续为垃圾桶持续供电[7]。
图3太阳能控制流程图
国家使用情况优点缺点
中国固定型与可
移动型对垃圾做初
步分类处理
垃圾分类成
效甚微
美国智能型垃圾
桶增大容量，垃
圾溢满提示，
太阳能供电
投入成本较
高，智能化不
彻底
日本普通型分类
垃圾桶精细分类，利
于垃圾分类
无智能功能
德国普通型分类
垃圾桶分类精细，要
求严格
无智能功能
国家分类
标准
收集方式主要处理方式
中国4类混合收集高温堆肥，填埋，
焚烧
美国3大类
4小类
由专业废弃物处理公
司定时收集，计量收费
填埋，回收，降
解
日本
8类
518条
分类收集，定点回收，
计量收费
火力发电、填海
铺路循环利用
德国6类分类收集，计量收费机械物理稳定化
垃圾处理方式
表1国内外垃圾分类的对比[
2]
图1垃圾桶结构概念
图
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2021.06科学技术创新
3垃圾桶软件设计
3.1垃圾分类功能
垃圾桶上安有摄像头，通道四周安装视觉传感器，当垃圾掉入垃圾桶上层隔板时，摄像头将捕捉的垃圾外形及特点传给ECU,ECU将其与数据库中信息进行比对，确定垃圾种类。ECU 控制容器门开关并将判
断结果输入到控制端，机械控制端分拣，传送与储存垃圾，完成垃圾分类。通过监测垃圾储量，主机命令压缩机进行压缩垃圾体积以扩大垃圾桶内部容积。垃圾桶主要通过不同的垃圾材质识别五类垃圾:(1)材料垃圾(包括玻璃、废纸、橡胶、塑料等);(2)无机垃圾组(炉灰渣、砖瓦、陶瓷等);(3)有毒有害垃圾(杀虫剂容器、过期药物、医疗废物以及废旧电器的电子垃圾等);(4)有机垃圾(厨房垃圾、生物垃圾等);
(5)其余垃圾(其余无法检验出来的垃圾)。
3.2与人交互功能
迎合智能化手段，此户外智能垃圾桶增设标语宣传和音频宣传功能。LED屏幕不间断地显示宣传标语“保护环境垃圾分类”等。在垃圾桶外加设语音播放装置和传感器，当人靠近垃圾桶时播放宣传音频，提醒人们对垃圾分类投掷。为了体验科技时代便捷性，开发出一款“智能型分类垃圾桶”的A PP，并建立强大的数据库作为后台技术支撑和双重保障。图4为A PP设计界面。本产品用于图形界面内容，通过扫描智能垃圾桶的二维码实现用户与垃圾桶的互动，并具有搜索垃圾知识、积分兑换、垃圾桶定位、管理员等功能[8]。
图4垃圾小助手A P P设计界面
3.3垃圾储量控制
考虑到现实生活中垃圾满溢现象影响环境卫生，也给扔垃圾的行人造成不便。因此本设计在垃圾桶内安装蓝牙，以便实时监测垃圾容量，当压缩操作进行后监测到垃圾储量达到桶容积的80%，则将通过电机控制垃圾盖不可打开。通过G PS模块，利用网络数据传输发送垃圾桶的实时位置，提醒相关人员及时清理垃圾。
3.4自动跟随功能
传统式垃圾桶有固定型和移动型两种，并不能满足现代人的节奏。当时间紧迫或事物繁忙之时，人们往往无法投掷或准确投掷手中垃圾，为此设计了垃圾桶自动跟随功能。当人向其前进至距离垃圾桶0.5米之时，垃圾桶将根据ECU指令向目标人物行进，并自动跟随0.5米，使垃圾得到准确投掷，并在此动作之后，垃圾桶将智能返回原位。
4垃圾桶附加功能设计
垃圾桶外形结合地域特进行设计，以内蒙古为例，加入蒙古族元素，如常见单独纹样元素：哈木尔、犄纹、卍纹、哈敦绥格、涡纹、盘肠、汗宝古等，弘扬和传播具有地方特的蒙古族文化，让各地的人知道和了解内蒙古的文化和文明。
市场现行垃圾桶大多采用木材，塑料或金属等材料制成，不能完全满足夜间使用需求，例如在光线较暗
的地方放置垃圾桶，不熟悉周围环境的投放垃圾者或视力较低的人将难以快速到垃圾桶。基于此种情况，这款垃圾桶外表一层覆盖反光材料，些许光线照射到垃圾桶时，反光材料将显示出垃圾桶的位置，便于人们快速准确地到垃圾桶。
且户外环境中垃圾桶常常会存在垃圾气味，并随着垃圾容量的增多和气温的升高而逐渐明显。此问题在设计中由喷鸣系统来完成，可以确保垃圾桶不会发出恶臭的味道，以达到垃圾除臭消毒的目的。
5结论
本设计响应十九大报告中提出的坚持新发展理念，坚持人与自然和谐共生，加快生态文明体制，改革建设美丽中国的思想而萌芽。其结合控制器和大量的传感器设计了节能交互型智能垃圾桶，其功能完善、使用方便，更适应现代化生活。该垃圾桶不仅实现垃圾的智能分类、还附带有节约能源、与人交互、垃圾储量控制、自动跟随等功能，较好地满足了用户的需求，为用户使用带来便利。其既与垃圾收集工作人员建立了高效合作关系，又与用户建立了良好的互动和情感关联，在很大程度上满足了目标市场的需求。
参考文献
[1]刘建宽，黄新国，汤万昌.可移动整合型垃圾桶设计[J].包装学报,2018,10(05):46-50.
[2]李航，徐园园.国内分类垃圾桶发展现状与分析[J].安阳工学院学报,2019,18(02):37-39.
[3]张舒.基于互动体验的户外分类垃圾桶设计研究[J].工业设计, 2018(11):140-141.
[4]吴书超，李新辉.国内外生活垃圾源头分类研究现状及对我国的启示[J].环境卫生工程,2010,18(05):36-38.
[5]林萍在日本.日本为什么这么干净[J].环境教育,2016(Z1):101-104.
[6]张义红.德国生活垃圾分类对我国大学城垃圾资源处理的启示[J].改革与开放,2015(17):48-49.
[7]丁智军，郝慧荣，张慧杰等.基于用户移动设备定位的太阳能自动追光装置及追光方[P].CN110829964A,2020-02-21. [8]邱洋懿，郝慧荣，张慧杰等.手机的垃圾小助手软件图形用户界面[P].内蒙古自治区:CN305896344S,2020-07-03.
基金项目：内蒙古工业大学大学生科技创新实验(2019033013)；内蒙古自治区自然科学基金项目(2018LH05037)。
作者简介：郭心如(1999-)，女，汉族，籍贯：山西吕梁，学历：本科，内蒙古工业大学，研究方向：车辆工程。
郝慧荣(1981-)，男，汉族，籍贯：内蒙古包头，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：车辆动力学
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