屈巍 徐志毅 王莉 夏萱 魏雪
（沈阳师范大学，辽宁 沈阳 110034）
目前我国经济处于快速发展的阶段，人民的物质生活水平也有了显着的提高。然而在这经济高速发展，人们制造垃圾的速度也在空前发展。我国平均每年产生固体废物50 亿吨，其中危险废物高达4000 万吨，但70%的城市都选择了填埋，城市早已不堪重负，土地、水资源的污染情况更是触目惊心。垃圾分类是对垃圾收集处理传统方式的恶改革，是对垃圾进行有效处置的一种科学管理方法，它不仅有利于提升全社会的文明程度，还可以减少不同垃圾的相互污染，有利于废旧物质的回收利用[1-2]。针对垃圾合理分类问题，以“互联网+物联网+垃圾分类”理念为指导提出了一种基于物联网的智慧垃圾桶设计，分别从垃圾自动分类、废品回收返利、照明唤醒、语音询问助手、LED屏交互等方面进行设计。智慧垃圾桶功能丰富、性能稳定、安全性高，确切满足当代社会对垃圾分类再利用的迫切需求，有效提高了资源的再生产工作。
1 基于物联网的智慧垃圾桶的设计
基于对市面已经存在的功能以及社会需求的分析[3-4]，我们将智慧垃圾桶的设计分为五大板块，垃圾自动分类技术、废品回收返利功能、交互功能、用户便利方案、监测与防护。其中，交互功能包括LED 屏交互、“垃圾很OK”APP 交互以及用户的认证技术；用户便利方案包括语音助手小LA 以及照明唤醒服务；检测与防护包括系统故障自检以及设备安全防护，见图1。
图1 基于物联网的智慧垃圾桶的设计框图
2 基于物联网的智慧垃圾桶的设计实现
2.1 垃圾自动分类技术
该技术主要利用垃圾信息采集装置和主控制系统，对于用户投入的垃圾进行检测，通过ResNet 图像分析技术进行图像分析，检测用户所投掷垃圾的投递情况。投递时，垃圾桶会自动通过自身的信息采集装置，将收集到的信息，通过感知层利用水平翻转、随机裁剪和色彩抖动等方式对于垃圾图像进行处理，再将识别分裂的结果转递给应用层的主控CPU，利用以R-CNN、Fast R-CNN、Faster R-CNN 为代表的两阶段算法生成一系列待检测目标的候选框，再通过卷积神经网络进行候选框的分类，用来对垃圾进行分类。
如流程图图2 所示，当用户投递正确时，则完成投递，能够获得积分奖励；当用户投递错误时，本设备会进行正确的投递，并且在APP 及LED 屏上实时反馈错误信息，扣除用户相应的积分，如图3 所示。通过在不同的客户端上反馈，可以实现更多的便利。
图2 垃圾分类技术流程图
图3 LED 屏错误反馈实现图
2.2 废品回收返利功能
该技术主要利用一系列传感器以及计数器实现返利功能，使用户在投递垃圾的同处理可回收废品，通过此举激励用户，提高用户的废品回收意识，其流程图如图4 所示。通过红外测距传感器监控桶内的存储情况，当存储量超过85%时，会有满载预警通知；当达到95%时关闭垃圾桶入口，将无法回收，再等待环卫部门清理完毕后能重新使用回收功能。重量传感器的功能是检测废纸的重量，计数器的功能是计算空瓶数量，方便计算返利金额，如图5 所示。整个过程中，智慧垃圾桶自带的LED 屏相关的交互显示，实时更新相关数据，用户也可于APP中查看。
图4 废品回收返利流程图
图5 LED 屏回收实现图
2.3 交互功能设计
2.3.1“垃圾很OK”APP 设计
为了提高用户的使用体验以及我们产品自身的服务质量，我们设计推出了与智慧垃圾桶相辅相成的“垃圾很OK”APP。
“垃圾很OK”APP 首页设计图如图6 所示。用户可以在首页了解到产品最新的活动资讯，以及为用户提供了四个常用的服务项目点击模块，包括“GPS 定位”、“一键照明”、“积分兑换”以及“分类查询”。
图6 APP 首页实现图
GPS 定位：每个垃圾桶内都具备了GPS 装置，当用户想投掷垃圾时，可以根据用户手机内的GPS 定位以及垃圾桶的GPS定位系统利用最短距离算法计算出距离用户最近的垃圾桶的位置，在APP 内可以反馈给用户垃圾桶的位置信息。用户可以通过该功能得知离自己最近的垃圾箱的位置，完成后续垃圾投递的工作。GPS 界面设计图如图7 所示。
图7 GPS 界面实现图
积分兑换：用户可以根据自己的积分数量选择可兑换范围内的商品，在完成地址选择以及信息确认以后即可完成兑换。其中，积分的获取来自于用户平时对于APP 使用的积累。积分兑换界面如图8 所示。
图8 积分兑换界面
如图6 所示，我们发现在页面的下方还具有一个功能板块，即为“错误反馈记录”。该板块的设计是为了当垃圾箱内的垃圾自动分类板块完成算法计算，得到投掷错误的信息时，在LED屏给予反馈的同时，云端数据同时传输到APP 的后台数据库中。即当用户在进行扔垃圾时，如若在垃圾分类时扔错，则会进行垃圾分类的正确信息反馈，通过APP 进行查看。
另外地，还设计了“随堂测试”功能板块，用户可以通过APP的测试模块，不断的检测自己对垃圾分类的了解，巩固自己对垃圾分类知识的认识。同时，也会根据用户的成绩，给予相应的积分。并且，用户每次进行测试的题目由数据库里的数据自动生成。随堂测试界面如图9 所示。
图9 分类知识提升
2.3.2 LED 屏交互界面设计
为提高用户在使用智慧垃圾桶时的用户体验，我们为智慧垃圾桶搭载一块触摸式电容屏。LED 屏交互设计框图如图10所示。
图10 LED 屏交互设计框图
用户可以在“主界面”获取包括时间、天气预报以及每日新闻的公共信息，也可以选择“人脸识别”以及“IC 卡验证”的两种身份认证方式进入自己的用户界面。LED 屏首页设计图如图11所示。
图11 LED 屏首页实现图
在“用户界面”，用户可以查看自己的个人信息；通过“语言助手”唤醒助手小LA；通过“积分兑换”用自己的现有积分兑换物品；通过“回收助手”完成废品回收返利功能的操作；通过“照明服务”打开照明唤醒。LED 屏用户界面设计图如图12 所示。
图12 LED 屏用户界面实现图
此外，只要是有垃圾投递，无论是否是我们的注册用户，LED 屏都会对错误的垃圾投递进行错误提示以及纠正，例如当用户将牛奶盒投入厨余垃圾中时，错误提示会显示“您所投入厨余垃圾中的牛奶盒为可回收垃圾”。
3 结论
目前我国经济处于快速发展的阶段，人民的物质生活水平也有了显着的提高。垃圾的大量制造不仅加剧了土地资源的利用，而且加重了大气的污染，甚至人们赖以生存的环境也会受到威胁[5]。本文以“物联网+垃圾分类”理念为指导设计了基于物联网的智慧垃圾桶，所设计的智慧垃圾桶功能更智慧、性能更稳定、安全性高，确切满足了当代社会对垃圾分类再利用的迫切需求，有效提高了资源再生产工作效率。
