CN112027399A - 一种多功能智能清洁垃圾桶 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能智能清洁垃圾桶，包括：外桶体、内桶体、垃圾分类装置。外桶体设有垃圾投放口，内桶体设有多个垃圾盛放区域，垃圾分类装置包括控制器、均与控制器连接的图像采集设备、垃圾暂存仓、垃圾分拨机构。图像采集设备设置于垃圾投放口处，其采集垃圾图像并发送至控制器；控制器运行处理图像的卷积神经网络识别程序并发送相应的控制指令给垃圾暂存仓和垃圾分拨机构；垃圾暂存仓的入口连通垃圾投放口，以存放待分类的垃圾；垃圾分拨机构的输入侧用于接收垃圾暂存仓的出口释放的垃圾并依控制指令对接不同盛放区域。本发明结合卷积神经网络技术，通过低成本嵌入式设备将普通的垃圾桶改造为智能垃圾桶，实现自动识别和分类垃圾的功能。

Description

一种多功能智能清洁垃圾桶
技术领域
本发明涉及环保设备领域，特别涉及一种多功能智能清洁垃圾桶。
背景技术
现在街道上随处可见的垃圾桶，大多分为两类：可回收物和不可回收物，也有的分为三类：可回收物、有害垃圾以及其他垃圾。垃圾分类作为垃圾处理流程中的基础环节，虽然各级政府都在大力倡导与推行，但由于配套设施的不完善和人们垃圾分类意识与能力的不足，导致该项工作的进展情况和成效并不理想，收集到的“分类垃圾”往往仍是混合垃圾，从而严重制约了垃圾处理后续流程的有效执行。
随着信息化技术的发展，市场上相继出现了各种带垃圾分类功能的“智能化”垃圾桶，但是这些垃圾桶往往依赖各类传感器进行复杂的操作而完成对垃圾的识别与分类，准确率一般且识别种类较为单一，同时它们用于垃圾分类的机械结构复杂、体积大，因此这些垃圾桶很难得到大面积的普及。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种可自动识别与分类垃圾、适合大规模部署的多功能智能清洁垃圾桶。
根据本发明实施例的一种多功能智能清洁垃圾桶，包括：外桶体、内桶体、垃圾分类装置。所述外桶体上设有垃圾投放口，所述内桶体设置于所述外桶体的内部，所述内桶体分隔为多个盛放区域，用于存放不同种类的垃圾；所述垃圾分类装置设置于所述外桶体的内部并位于所述内桶体的上方，所述垃圾分类装置包括控制器以及分别与所述控制器电性连接的图像采集设备、垃圾暂存仓、垃圾分拨机构。所述图像采集设备设置于所述垃圾投放口处，用于采集垃圾图像并将图像数据发送至所述控制器；所述控制器运行有处理所述图像数据的卷积神经网络识别程序并根据识别结果发送相应的控制指令给所述垃圾暂存仓和所述垃圾分拨机构；所述垃圾暂存仓的入口连通所述垃圾投放口，用于临时存放待分类的垃圾，且具有受控于所述控制器的垃圾释放装置，所述垃圾释放装置用于开合所述垃圾暂存仓的出口；所述垃圾分拨机构的输入侧用于接收所述垃圾暂存仓的出口释放的垃圾，且所述垃圾分拨机构根据所述控制指令对接不同位置的所述盛放区域。
根据本发明上述实施例的一种多功能智能清洁垃圾桶，至少具有如下有益效果：该多功能智能清洁垃圾桶结合卷积神经网络新技术，能通过低成本嵌入式智能控制器将普通的垃圾桶改造为智能垃圾桶，实现了自动识别和分类垃圾的功能。
根据本发明的一些实施例，所述垃圾暂存仓包括连通所述垃圾投放口的停驻通道、组成所述垃圾释放装置的停驻挡板和第一电动驱动机构，所述停驻挡板设置于所述停驻通道的出口处，所述第一电动驱动机构根据所述控制指令旋转所述停驻挡板以开合所述停驻通道的出口。
根据本发明的一些实施例，所述垃圾分拨机构包括与所述垃圾暂存仓的出口连通的分拨管道、转轴、第二电动驱动机构，所述转轴穿设于所述分拨管道上，所述第二电动驱动机构根据所述控制指令驱动所述转轴旋转以控制所述分拨管道的出口对接不同位置的所述盛放区域。
根据本发明的一些实施例，所述多功能智能清洁垃圾桶还包括监测模块、无线传输模块、显示模块，所述监测模块、所述无线传输模块以及所述显示模块均与所述控制器电性连接，所述监测模块用于采集所述内桶体不同盛放区域的满溢状态数据并发送至所述控制器进行处理，所述控制器将处理得到的满溢状态信息传输至所述显示模块以进行显示，并通过所述无线传输模块将满溢报警信息发送给终端和/或云平台。
根据本发明的一些实施例，所述无线传输模块为NB-IoT模块。
根据本发明的一些实施例，所述监测模块包括多个超声波测距传感器和重量传感器，所述超声波测距传感器设置于所述外桶体侧壁的内侧且位于所述内桶体的上方，所述重量传感器设置于所述内桶体不同盛放区域的底部。
根据本发明的一些实施例，所述外桶体的下部设有容纳扫地机器人的容纳腔室，所述外桶体侧壁的下部设有与所述容纳腔室连通的入口。
根据本发明的一些实施例，所述多功能智能清洁垃圾桶还包括吸尘模块和无线充电模块，所述吸尘模块设置于所述外桶体上，用于将所述扫地机器人集尘盒中的灰尘吸入到对应的所述盛放区域，所述无线充电模块设置于所述外桶体的底部，用于对所述扫地机器人进行充电。
根据本发明的一些实施例，所述吸尘模块包括依次连接的通道对接口、抽风扇、灰尘通道，所述通道对接口与所述扫地机器人的集尘盒相连，所述抽风扇嵌合在所述外桶体上，所述灰尘通道可拆卸地设置于所述外桶体的外壁上并连通对应的所述盛放区域。
根据本发明的一些实施例，所述外桶体侧壁的内侧设有多根平行的限位滑轨槽，所述内桶体的底部设有与所述限位滑轨槽适配的滚轮，所述内桶体可以沿所述限位滑轨槽做直线运动。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的剖视图；
图2为本发明实施例的后视图；
图3为本发明实施例的限位滑轨槽的结构示意图；
图4为本发明实施例的垃圾监测工作流程图；
图5为本发明实施例的垃圾自动识别与分类的工作流程图；
图6为本发明实施例的分类模块的电路原理图。
附图标记：
外桶体100、垃圾投放口101、显示模块102、容纳腔室103、抽风扇104、灰尘通道105、限位滑轨槽106；
内桶体200；
垃圾分类装置300、垃圾暂存仓301、垃圾分拨机构302；
垃圾释放装置3010、停驻通道3011、停驻挡板3012、第一电动驱动机构3013、分拨管道3021、转轴3022、第二电动驱动机构3023。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1，为本发明实施例的一种多功能智能清洁垃圾桶，包括外桶体100、内桶体200、垃圾分类装置300。
外桶体100的上表面设有用于投放垃圾的垃圾投放口101。
内桶体200设置在外桶体100的内部，该内桶体200分隔为多个垃圾盛放区域，不同的垃圾盛放区域存放不同种类的垃圾。
垃圾分类装置300放置在内桶体200的上方，该垃圾分类装置300包括控制器(图中未画出)以及分别与该控制器电性连接的图像采集设备(图中未画出)、垃圾暂存仓301、垃圾分拨机构302。
图像采集设备设置于垃圾投放口101处，用于采集垃圾图像并将图像数据发送至控制器。
控制器运行有处理垃圾图像数据的卷积神经网络识别程序，该控制器再根据卷积神经网络识别程序的识别结果发送相应的控制指令给垃圾暂存仓301和垃圾分拨机构302。
垃圾暂存仓301的入口连通垃圾投放口101，用于临时存放待分类的垃圾，且具有受控于控制器的垃圾释放装置3010。该垃圾释放装置3010用于开合垃圾暂存仓301的出口。
垃圾分拨机构302的输入侧用于接收垃圾暂存仓301的出口释放的垃圾，该垃圾分拨机构302根据控制器发送的控制指令对接不同位置的垃圾盛放区域。
需要说明的是，前述的控制器、图像采集设备均指同一个主体。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，垃圾暂存仓301包括连通垃圾投放口101的停驻通道3011、组成垃圾释放装置3010的停驻挡板3012和第一电动驱动机构3013，内桶体200上方设有与垃圾暂存仓301配合的支撑板，该支撑板设置在外桶体100侧壁的内侧上，停驻通道3011的上端固定在垃圾投放口101处，停驻通道3011的出口与支撑板之间留有间隙以容纳停驻挡板3012，第一电动驱动机构3013采用舵机，第一电动驱动机构3013与控制器电性连接，第一电动驱动机构3013和停驻挡板3012安装在支撑板的上表面上，第一电动驱动机构3013驱动停驻挡板3012沿平行于支撑板上表面的平面旋转，从而实现开合停驻通道3011的出口。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，垃圾分拨机构302包括与垃圾暂存仓301的出口连通的分拨管道3021、转轴3022、第二电动驱动机构3023，内桶体200上方设有与垃圾分拨机构302配合的支撑板，该支撑板上有连通垃圾暂存仓301出口和分拨管道3021的通孔，第二电动驱动机构3023为舵机并与控制器电性连接，第二电动驱动机构3023和分拨管道3021安装在支撑板的下表面上，分拨管道3021靠近通孔的一端穿设有一根转轴3022，第二电动驱动机构3023通过该转轴3022驱动分拨管道3021沿垂直于支撑板下表面的平面旋转，从而实现垃圾分拨机构302根据控制器的控制指令对接不同位置的垃圾盛放区域。
如图5所示，为本发明实施例垃圾自动识别和分类的工作流程，首先垃圾从垃圾投放口101投入后掉入停驻通道3011，停驻挡板3012闭合停驻通道3011以暂时阻挡垃圾下落；图像采集设备对投入的垃圾进行图像数据采集，采集完后将图像数据发送给控制器；控制器运行卷积神经网络识别程序以识别投入的垃圾的种类；识别结束后，控制器根据识别结果首先控制第二电动驱动机构3023旋转分拨管道3021，分拨管道3021旋转至对应角度后，控制器再控制第一电动驱动机构3013旋转停驻挡板3012。由于分拨管道3021的出口在不同的旋转角度时会对接不同的垃圾盛放区域，因此垃圾下落后会在分拨管道3021的引导下掉入对应的垃圾盛放区域。
在本发明的一些实施例中，该多功能智能清洁垃圾桶还包括监测模块、无线传输模块、显示模块102，监测模块、无线传输模块以及显示模块102均与控制器电性连接，监测模块用于采集内桶体200不同盛放区域的满溢状态数据并发送至控制器进行处理，控制器将处理得到的满溢状态信息传输至显示模块102以进行显示，该显示模块102安装在外桶体100的上表面，以便于查看，同时控制器通过无线传输模块将满溢报警信息发送给终端和/或云平台。
前述实施例中的控制器优选低功耗、低成本的Arduino单片机，在没有处理任务时，Arduino单片机进入休眠状态，以降低电路功耗。由于卷积神经网络的训练需要消耗大量的计算资源，而Arduino单片机性能有限，因此本发明技术方案中通过高性能计算机实现卷积神经网络数据模型的搭建与训练，待卷积神经网络识别程序达到一定的识别准确率后，将其移植到Arduino单片机上并进行调参优化与测试。
在本发明的一些实施例中，无线传输模块为NB-IoT模块，Arduino单片机向NB-IoT模块发送AT指令，NB-IoT模块再将满溢报警信息发送给终端和/或云平台。本实施例中使用的是移远BC95 NB-IoT模块，BC95 NB-IoT模块是一款高性能、强网络覆盖能力、低成本、低功耗的NB-IoT无线通信模块，其尺寸仅为23.6mm×19.9mm×2.2mm，较小的体积也使得硬件模块尺寸更小。此外，该BC95 NB-IoT模块在不发送数据时工作在省电模式，功耗极低。
在本发明的一些实施例中，监测模块包括多个超声波测距传感器和重量传感器，超声波测距传感器设置在外桶体100侧壁的内侧且位于内桶体200的上方，用于测量内桶体200中不同盛放区域内垃圾的高度，重量传感器设置在内桶体200不同盛放区域的底部，用于采集内桶体200中不同盛放区域内垃圾的重量。
本实施例中使用的超声波测距传感器是HC-SR04超声波测距模块，重量传感器使用的是HX711压力传感器。
前述HC-SR04超声波测距模块包括超声波发射器、接收器与控制电路，可提供2至400厘米的非接触式距离测量功能，测距精度可达到3毫米。
前述HX711压力传感器是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。HX711压力传感器与同类型其它芯片相比，它集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有上电自动复位功能、集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，同时也降低了整个硬件模块的成本，提高了监测模块的性能和可靠性。HX711压力传感器与单片机的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，并与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。HX711压力传感器的时钟振荡器不需要任何外接器件。
HC-SR04超声波测距模块、HX711压力传感器与Arduino单片机具体的电路连接关系参考图6。
结合图4详细描述一下监测模块的工作流程，Arduino单片机给超声波测距模块的Trig引脚输出大于10微秒的高电平信号后，该超声波测距模块自动发送8个40KHz的超声波脉冲，Arduino单片机检测是否有超声波脉冲信号返回。若Arduino单片机检测到返回信号，则超声波测距模块的Echo引脚输出高电平，高电平持续的时间为超声波从发射到返回的时间，从而可以计算出垃圾高度，Arduino单片机每间隔30分钟进行一次超声波测距，用来监测垃圾的高度是否超过阈值。当超声波测距模块监测到垃圾高度达到阈值后，就会启动重量传感器测量垃圾的重量。当Arduino单片机检测到HX711压力传感器的引脚DT输出为高电平时，表示压力传感器还没准备好输出数据；当Arduino单片机检测到HX711压力传感器的引脚DT输出为低电平时，表示压力传感器准备好输出数据，此时Arduino单片机输出脉冲至引脚SCK，Arduino单片机输出一个脉冲，DT就输出一位二进制数据(数据从最高位到最低位依次输出)，Arduino单片机输出24个脉冲后，再根据SCK的脉冲数对下次工作方式进行选择。若垃圾的重量未达到阈值，则认为当前垃圾桶处于虚满状态，此时不会向终端和/或云平台发送垃圾已满的报警数据，同时Arduino单片机隔段时间再次采集垃圾的重量数据。若垃圾的重量到达了阈值，则会向终端和/或云平台发送垃圾已满的报警数据。
在本发明的一些实施例中，如图1和图3所示，外桶体100的下部设有容纳扫地机器人的容纳腔室103，外桶体100侧壁的下部设有与容纳腔室103连通的入口。该实施例中的多功能智能清洁垃圾桶将市场上的扫地机器人与智能垃圾桶组合为一个产品，达到集扫地、吸尘、存放垃圾于一体的功效，与分开售卖两款产品相比，本发明具有巨大的技术优势，有利于提高市场竞争力。
在本发明的一些实施例中，多功能智能清洁垃圾桶还包括吸尘模块和无线充电模块。
吸尘模块设置于外桶体100上，用于将扫地机器人集尘盒中的灰尘吸入到对应的垃圾盛放区域。
无线充电模块设置在外桶体100的底部，用于对扫地机器人进行充电扫地机器人完成清扫任务之后，或是在低电量的情况下，将会通过感应识别，回到该多功能智能清洁垃圾桶的底部并通过无线充电基座进行充电。这种充电方式相对于传统的充电方式更安全，而且降低了扫地机器人自动返回充电座的回位准确度。
在本发明的一些实施例中，如图2所示，吸尘模块包括依次连接的通道对接口(图中未画出)、抽风扇104、灰尘通道105，使用时通道对接口与扫地机器人的集尘盒相连，灰尘通道105可拆卸地设置于外桶体100的外壁上，以方便拆卸下来进行清洗，抽风扇104嵌合在外桶体100上，抽风扇104将集尘盒中的灰尘吸入灰尘通道105，最后通过灰尘通道105进入对应的垃圾盛放区域。
在本发明的一些实施例中，如图3所示，外桶体100侧壁的内侧设有多根平行的限位滑轨槽106，内桶体200的底部设有与限位滑轨槽106适配的滚轮，内桶体200可以沿限位滑轨槽106做直线运动。使用时，向抽屉一样往外拉就能拉出内桶体200，从而方便倾倒内桶体200中的垃圾。
本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，包括：
外桶体(100)，所述外桶体(100)上设有垃圾投放口(101)；
内桶体(200)，所述内桶体(200)设置于所述外桶体(100)的内部，所述内桶体(200)分隔为多个盛放区域，用于存放不同种类的垃圾；
垃圾分类装置(300)，所述垃圾分类装置设置于所述外桶体(100)的内部并位于所述内桶体(200)的上方，所述垃圾分类装置(300)包括控制器以及分别与所述控制器电性连接的图像采集设备、垃圾暂存仓(301)、垃圾分拨机构(302)；
所述图像采集设备设置于所述垃圾投放口(101)处，用于采集垃圾图像并将图像数据发送至所述控制器；
所述控制器运行有处理所述图像数据的卷积神经网络识别程序并根据识别结果发送相应的控制指令给所述垃圾暂存仓(301)和所述垃圾分拨机构(302)；
所述垃圾暂存仓(301)的入口连通所述垃圾投放口(101)，用于临时存放待分类的垃圾，且具有受控于所述控制器的垃圾释放装置(3010)，所述垃圾释放装置(3010)用于开合所述垃圾暂存仓(301)的出口；
所述垃圾分拨机构(302)的输入侧用于接收所述垃圾暂存仓(301)的出口释放的垃圾，且所述垃圾分拨机构(302)根据所述控制指令对接不同位置的所述盛放区域。
2.根据权利要求1所述的多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，所述垃圾暂存仓(301)包括连通所述垃圾投放口(101)的停驻通道(3011)、组成所述垃圾释放装置(3010)的停驻挡板(3012)和第一电动驱动机构(3013)，所述停驻挡板(3012)设置于所述停驻通道(3011)的出口处，所述第一电动驱动机构(3013)根据所述控制指令旋转所述停驻挡板(3012)以开合所述停驻通道(3011)的出口。
3.根据权利要求1所述的多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，所述垃圾分拨机构(302)包括与所述垃圾暂存仓(301)的出口连通的分拨管道(3021)、转轴(3022)、第二电动驱动机构(3023)，所述转轴(3022)穿设于所述分拨管道(3021)上，所述第二电动驱动机构(3023)根据所述控制指令驱动所述转轴(3022)旋转以控制所述分拨管道(3021)的出口对接不同位置的所述盛放区域。
4.根据权利要求1所述的多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，所述多功能智能清洁垃圾桶还包括监测模块、无线传输模块、显示模块(102)，所述监测模块、所述无线传输模块以及所述显示模块(102)均与所述控制器电性连接，所述监测模块用于采集所述内桶体(200)不同盛放区域的满溢状态数据并发送至所述控制器进行处理，所述控制器将处理得到的满溢状态信息传输至所述显示模块(102)以进行显示，并通过所述无线传输模块将满溢报警信息发送给终端和/或云平台。
5.根据权利要求4所述的多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，所述无线传输模块为NB-IoT模块。
6.根据权利要求4所述的多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，所述监测模块包括多个超声波测距传感器和重量传感器，所述超声波测距传感器设置于所述外桶体(100)侧壁的内侧且位于所述内桶体(200)的上方，所述重量传感器设置于所述内桶体(200)不同盛放区域的底部。
7.根据权利要求1所述的多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，所述外桶体(100)的下部设有容纳扫地机器人的容纳腔室(103)，所述外桶体(100)侧壁的下部设有与所述容纳腔室(103)连通的入口。
8.根据权利要求7所述的多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，所述多功能智能清洁垃圾桶还包括吸尘模块和无线充电模块，所述吸尘模块设置于所述外桶体(100)上，用于将所述扫地机器人集尘盒中的灰尘吸入到对应的所述盛放区域，所述无线充电模块设置于所述外桶体(100)的底部，用于对所述扫地机器人进行充电。
9.根据权利要求8所述的多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，所述吸尘模块包括依次连接的通道对接口、抽风扇(104)、灰尘通道(105)，所述通道对接口与所述扫地机器人的集尘盒相连，所述抽风扇(104)嵌合在所述外桶体(100)上，所述灰尘通道(105)可拆卸地设置于所述外桶体(100)的外壁上并连通对应的所述盛放区域。
10.根据权利要求1至9任一所述的多功能智能清洁垃圾桶，其特征在于，所述外桶体(100)侧壁的内侧设有多根平行的限位滑轨槽(106)，所述内桶体(200)的底部设有与所述限位滑轨槽(106)适配的滚轮，所述内桶体(200)可以沿所述限位滑轨槽(106)做直线运动。
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