CN113042394A - 一种基于nb-iot的智能垃圾分类系统 - Google Patents

一种基于nb-iot的智能垃圾分类系统 Download PDF

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CN113042394A CN202110248580.6A CN202110248580A CN113042394A CN 113042394 A CN113042394 A CN 113042394A CN 202110248580 A CN202110248580 A CN 202110248580A CN 113042394 A CN113042394 A CN 113042394A
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Abstract

本文公开了一种基于NB‑IOT的智能垃圾分类系统，包括远程控制平台和智能垃圾桶。所述系统的智能垃圾桶包括智能分类模块，分类传送模块和分类存储模块，智能分类模块对投入垃圾进行智能分类识别，分类传送模块接收智能分类模块给出的分类指令并将垃圾传送至相应的分类存储模块内。所述系统的远程控制平台通过NB‑IOT集中管理指定区域内的智能垃圾桶群，接收智能垃圾桶的容量和分类异常信号，并将满容垃圾桶的具体位置发送到环卫工人的手机，同时对分类异常的垃圾进行人工在线识别。本发明基于BP神经网络实现垃圾智能分类，采用智能硬件代替人工分类，减少分拣的人工成本和风险，同时基于NB‑IOT实现远程控制平台对智能垃圾桶状态的实时在线监控，及时处理垃圾桶满容和分类异常问题，可以有效提高智能垃圾分类系统的工作柔性，合理安排工作人员的作业。

Description

一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统
技术领域
本发明涉及新型智能垃圾分类技术领域，涉及一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统。
背景技术
近年来我国城市化进程不断加快，人民生活水平得到显著提升的同时，中国每年产生的城市垃圾也在不断增多。城市垃圾存在侵占土地、污染空气、污染水体、危害人类健康等诸多危害，严重影响着我们的日常生活。生活垃圾分类处理是贯彻落实可持续发展战略中的重要部分，也是构建环境友好型社会的发展要求。垃圾的分类处理将不同特性的垃圾进行分类回收，在提高垃圾处理效率的同时，也能美化市容、保护环境、实现资源利用率最大化，为社会、环境、经济带来共赢的局面。
目前我国垃圾分类的主要形式依旧是人工集中分类处理，即垃圾统一运送至垃圾处理厂，采用人工流水线分拣的方式进行分类。该种分类方式的工作环境恶劣、劳动强度大、分拣效率低、自动化程度弱，远不能满足我国环保资源回收利用的发展需求。
针对我国垃圾分类现状，一些有关垃圾智能分类的方法被提出，如：中国专利210161172U“一种基于深度学习的瓶罐类垃圾识别分类机器人”、中国专利109606991A“智能垃圾桶及基于深度学习的垃圾分类方法”、中国专利110723431A“一种基于BP神经网络识别系统的垃圾分类方法”等。以上专利都是基于机器学习算法对垃圾进行分类识别，但机器学习模型给出的预测结果并不总是可靠的，有时也会出现无法识别的情况，因此将远程控制与智能分类相结合不仅可以提升垃圾分类的可靠性和有效性，及时处理分类过程的异常现象，还可以实现对智能分类垃圾桶状态的实时在线控制。
NB-IOT即窄带物联网，也被称为低功耗广域网，是一种以蜂窝网络为基础的无线接入技术。NB-IOT具有部署灵活、覆盖性强、超低耗能、成本低廉和海量连接等特点，相比于同频段GSM有着20db的覆盖增益，相对于LTE有着100倍链接数。目前远程监控领域常用的无线通信技术为ZigBee、SigFox和LoRa等，但这些技术无法满足随处分布的设施“互联”需求。此外，以上技术需要自行建网和维护，且网络覆盖差、易受干扰、信号不可靠等特点，使得网络接入成功率低、连接易掉线、难以跨越配电柜以扩大集中控制器的控制范围，从而导致ZigBee、SigFox和LoRa等技术在演进上也受到了限制。
综上所述，利用NB-IoT实现远程控制平台和智能垃圾桶群的互联，构建基于NB-IoT的智能垃圾桶网络是目前较为科学和经济的方案。
发明内容
本发明提出了一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，旨在实现垃圾智能分类和远程控制相结合，推进垃圾分类的智能化进程，改善当前低效率的垃圾分类模式、提升垃圾分类的准确性与安全性。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统的智能垃圾桶包括智能分类模块，分类传送模块和分类存储模块构成，智能分类模块对投入垃圾进行智能分类识别，分类传送模块接收智能分类模块给出的指令并将垃圾传送至相应的分类存储模块。所述智能分类模块底部的载物平台为一对开合板，舵机固定于开合板上，智能分类模块的内壁分别安装有声源传感器、温度传感器、湿度传感器、金属探测器、第一红外传感器、高清摄像头和中央处理模块；所述分类传送模块内部安装有电源模块、清洗模块步进电机、传送带和推杆；所述分类储存模块通过隔离板将其空间分为可回收垃圾箱、不可回收垃圾箱、湿垃圾箱和有害垃圾箱，以上各个箱体内部分别安装了容量传感器，外部安装了指示灯，分类储存模块的外部安装有清洗按钮。
所述舵机通过信号线与中央处理模块连接，用于控制开合板开合；所述步进电机通过信号线与中央处理模块连接，用于控制传送带传送垃圾和推杆推动垃圾；所述中央感知模块的信号线分别连接容量传感器和指示灯，用于接收容量信息并根据容量信息控制指示灯；所述清洗模块的信号线接入中央控制模块，用于接收清洗指令，实现对分类传送模块和分类储存模块的清洗；所述清洗按钮的信号线接入中央控制模块，用于控制清洗模块；所述电源模块的信号线分别接入中央处理模块、舵机、清洗模块、步进电机和指示灯，为整个智能垃圾桶提供电力支持。
所述推杆的顶端安装有第二红外传感器，接受到中央处理模块的分类命令时，相应推杆的红外传感器被触发，当垃圾达到相应推杆前方时，红外线被阻断，此时步进电机带动推杆弹出并迅速收回。
所述声源传感器用于检测垃圾进入，通过信号线连接高清摄像头，用于触发拍照；所述湿度传感器、温度传感器、金属探测器和第一红外传感器分别用于检测垃圾湿度、温度、金属性和透光性等数字信息。
所述声源传感器、湿度传感器、温度传感器、金属探测器、第一红外传感器、高清摄像头、容量传感器均属于数据感知模块。
所述中央处理模块与数据感知模块相互通信连接，用于获取和储存的垃圾图像信息和数字信息。
所述中央控制模块包括储存器和微处理器，储存器用于储存垃圾图像信息、数字信息和分类结果；所述微处理器用于接收和发送指令，控制整个系统的运行，且内设GPS定位，用于定位所述垃圾桶的位置，并写有已经训练完成的BP神经网络分类代码。
所述BP神经网络的训练样本源于前期远程在线分类的历史数据，即储存器前期储存的垃圾样本数据。
经网络输入层和输入层的激活函数为Relu激活函数，输出形式为[1000]、[0100]、[0010]、[0001]、[0000]，分别表示可回收垃圾、不可回收垃圾、湿垃圾、有害垃圾、分类异常。当输出结果为四种形式时，实现智能分类；当输出结果为[0000]时，中央处理模块通过NB-IOT将垃圾图片信息传送远程控制平台，实现远程端人工在线分类，中央处理模块接收智能分类结果或在线分类指令，控制舵机和步进电机运行。
所述容量传感器安装与分类储存模块的入口，通过信号线连中央处理模块，用于将获取的垃圾箱内的容量信息传输给中央控制模块，当垃圾箱达到容量上限时，中央控制模块接收到满容信息并将信息发送至远程控制平台，在线监控人员根据GPS定位通知区域内的环卫人员及时处理。
所述中央处理模块接收容量传感器的信息，控制指示灯，到达容量上限时触发容量传感器此时黄灯亮起，垃圾箱正常运作时绿灯亮起。
一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统包括以下步骤：
S1、垃圾投入，声源传感器触发高清摄像头拍照，获取垃圾图像；湿度传感器、温度传感器、金属探测器、第一红外传感器检测到垃圾的湿度、温度、金属性和透光性等数字信息；
S2、图像数据和数字信息传入中央处理模块中已经训练完成的BP神经网络，并输出分类结果；
S3、当输出分类结果为[1000]、[0100]、[0010]、[0001]中的任意一个时，中央处理模块接收分类指令；
S4、当输出结果为[0000]时，中央处理模块通过NB-IOT将垃圾图片发送至远程控制平台，远程控制平台的监控人员识别垃圾图片，实现在线分类并将分类结果发送给中央控制模块；
S5、中央处理模块按照分类指令发送脉冲信号驱动舵机、步进电机运行，舵机驱动开合板打开，垃圾落入传送带，步进电机带动传送带将垃圾传送至相应垃圾箱入口，相应推杆上的红外线被阻断，进步电机带动推杆迅速弹出收回，将垃圾推入相应垃圾箱内；
S6、分类储存模块中各个垃圾箱内的容量传感器感知垃圾箱的容量状况，并将信息传输至中央处理模块，到达容量上限时触发容量传感器，中央处理模块接收满容信号同时控制指示灯由绿灯切换为黄灯，并通过NB-IOT将垃圾桶内部信息传送至远程控制平台，在线监测人员根据GPS定位通知区域内环卫人员及时处理；
S7、环卫工人根据定位找到相应智能垃圾桶，并通过指示灯确认，完成垃圾清理，同时通过清洗按钮触发清洗模块实现分类传送模块和分类储存模块的清洗。
一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统的远程控制平台通过NB-IOT集中管理指定区域内的智能垃圾桶群，用于接收垃圾桶的满容信号和分类异常信号，并向垃圾桶内的中央控制模块发送控制指令，实现对智能垃圾桶的实时控制和管理。
一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统的最大优势在于：将智能分类和远程在线分类相结合，实现系统柔性的同时提高了垃圾分类的智能化和准确性；基于NB-IOT覆盖面广、建设成本低等显著优势，远程控制平台可是实现多个智能垃圾的检测管理；采用智能分类系统和远程监控系统相结合的垃圾分类模式，可以有效地对垃圾分类情况和智能分类垃圾桶状态进行监控，有利于推进垃圾分类的智能化进程。
附图说明
图1为一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统的系统结构示意图。
图2为一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统的垃圾桶结构示意图。
图3为一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统的系统图。
图4为一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统的分类流程图。
图中1-智能分类模块，2-分类传送模块，3-分类储存模块，4-开合板，5-舵机，6-声源传感器，7-湿度传感器，8-温度传感器，9-金属探测器，10-第一红外传感器，11-高清摄像头，12-中央处理模块，13-电源模块，14-清洗模块，15-步进电机，16-传送带，17-推杆，18-隔离板，19-容量传感器，20-指示灯，21-清洗按钮，22-第二红外传感器。
具体实施方式
以下结合附图，详细说明该发明的实施方案，对本发明做进一步阐述。
参照图1所示，一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统的智能垃圾桶包括智能分类模块，分类传送模块和分类存储模块构成，智能分类模块对投入垃圾进行智能分类识别，分类传送模块接收智能分类模块给出的指令并将垃圾传送至相应的分类存储模块。所述智能分类模块底部的载物平台为一对开合板，舵机固定于开合板上，智能分类模块的内壁分别安装有声源传感器、温度传感器、湿度传感器、金属探测器、第一红外传感器、高清摄像头和中央处理模块；所述分类传送模块内部安装有电源模块、清洗模块步进电机、传送带和推杆；所述分类储存模块通过隔离板将其空间分为可回收垃圾箱、不可回收垃圾箱、湿垃圾箱和有害垃圾箱，以上各个箱体内部分别安装了容量传感器，外部安装了指示灯，分类储存模块的外部安装有清洗按钮。
参照图2所示，所述舵机通过信号线与中央处理模块连接，用于控制开合板开合；所述步进电机通过信号线与中央处理模块连接，用于控制传送带传送垃圾和推杆推动垃圾；所述中央感知模块的信号线分别连接容量传感器和指示灯，用于接收容量信息并根据容量信息控制指示灯；所述清洗模块的信号线接入中央控制模块，用于接收清洗指令，实现对分类传送模块和分类储存模块的清洗；所述清洗按钮的信号线接入中央控制模块，用于控制清洗模块；所述电源模块的信号线分别接入中央处理模块、舵机、清洗模块、步进电机和指示灯，为整个智能垃圾桶提供电力支持。
所述推杆的顶端安装有第二红外传感器，接受到中央处理模块的分类命令时，相应推杆的红外传感器被触发，当垃圾达到相应推杆前方时，红外线被阻断，此时步进电机带动推杆弹出并迅速收回。
所述声源传感器用于检测垃圾进入，通过信号线连接高清摄像头，用于触发拍照；所述湿度传感器、温度传感器、金属探测器和第一红外传感器分别用于检测垃圾湿度、温度、金属性和透光性等数字信息。
所述声源传感器、湿度传感器、温度传感器、金属探测器、第一红外传感器、高清摄像头、容量传感器均属于数据感知模块。
所述中央处理模块与数据感知模块相互通信连接，用于获取和储存的垃圾图像信息和数字信息。
所述中央控制模块包括储存器和微处理器，储存器用于储存垃圾图像信息、数字信息和分类结果；所述微处理器用于接收和发送指令，控制整个系统的运行，且内设GPS定位，用于定位所述垃圾桶的位置，并写有已经训练完成的BP神经网络分类代码。
所述BP神经网络的训练样本源于前期远程在线分类的历史数据，即储存器前期储存的垃圾样本数据。
经网络输入层和输入层的激活函数为Relu激活函数，输出形式为[1000]、[0100]、[0010]、[0001]、[0000]，分别表示可回收垃圾、不可回收垃圾、湿垃圾、有害垃圾、分类异常。当输出结果为四种形式时，实现智能分类；当输出结果为[0000]时，中央处理模块通过NB-IOT将垃圾图片信息传送远程控制平台，实现远程端人工在线分类，中央处理模块接收智能分类结果或在线分类指令，控制舵机和步进电机运行。
所述容量传感器安装与分类储存模块的入口，通过信号线连中央处理模块，用于将获取的垃圾箱内的容量信息传输给中央控制模块，当垃圾箱达到容量上限时，中央控制模块接收到满容信息并将信息发送至远程控制平台，在线监控人员根据GPS定位通知区域内的环卫人员及时处理。
所述中央处理模块接收容量传感器的信息，控制指示灯，到达容量上限时触发容量传感器此时黄灯亮起，垃圾箱正常运作时绿灯亮起。
参照图3所示，一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统包括以下步骤：
S1、垃圾投入，声源传感器触发高清摄像头拍照，获取垃圾图像；湿度传感器、温度传感器、金属探测器、第一红外传感器检测到垃圾的湿度、温度、金属性和透光性等数字信息；
S2、图像数据和数字信息传入中央处理模块中已经训练完成的BP神经网络，并输出分类结果；
S3、当输出分类结果为[1000]、[0100]、[0010]、[0001]中的任意一个时，中央处理模块接收分类指令。
S4、当输出结果为[0000]时，中央处理模块通过NB-IOT将垃圾图片发送至远程控制平台，远程控制平台的监控人员识别垃圾图片，实现在线分类并将分类结果发送给中央控制模块；
S5、中央处理模块按照分类指令发送脉冲信号驱动舵机、步进电机运行，舵机驱动开合板打开，垃圾落入传送带，步进电机带动传送带将垃圾传送至相应垃圾箱入口，相应推杆上的红外线被阻断，进步电机带动推杆迅速弹出收回，将垃圾推入相应垃圾箱内；
S6、分类储存模块中各个垃圾箱内的容量传感器感知垃圾箱的容量状况，并将信息传输至中央处理模块，到达容量上限时触发容量传感器，中央处理模块接收满容信号同时控制指示灯由绿灯切换为黄灯，并通过NB-IOT将垃圾桶内部信息传送至远程控制平台，在线监测人员根据GPS定位通知区域内环卫人员及时处理；
S7、环卫工人根据定位找到相应智能垃圾桶，并通过指示灯确认，完成垃圾清理，同时通过清洗按钮触发清洗模块实现分类传送模块和分类储存模块的清洗。
参照图4所示，一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统的远程控制平台通过NB-IOT集中管理指定区域内的智能垃圾桶群，用于接收垃圾桶的满容信号和分类异常信号，并向垃圾桶内的中央控制模块发送控制指令，实现对智能垃圾桶的实时控制和管理。
以上所述为本发明的具体实施案例，但本发明的实现并不只受限于上述限制，以上设备的连接不限于信号线的连接也可以无线网络的形式连接，凡是在本文构思和技术方法下，未作出实质性改进的方案，均在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述系统包括远程控制平台和智能垃圾桶；所述智能垃圾桶包括智能分类模块（1），分类传送模块（2）和分类存储模块（3），智能分类模块（1）对投入垃圾进行智能分类识别，分类传送模块（2）接收智能分类模块（1）给出的指令并将垃圾传送至相应的分类存储模块（3）；
所述智能分类模块（1）底部的载物平台为一对开合板（4），舵机（5）固定于开合板（4）上，智能分类模块（1）的内壁分别安装有声源传感器（6）、温度传感器（7）、湿度传感器（8）、金属探测器（9）、第一红外传感器（10）、高清摄像头（11）和中央处理模块（12）；
所述分类传送模块（2）内部安装有电源模块（13）、清洗模块（14）、步进电机（15）、传送带（16）和推杆（17）；
所述分类储存模块（3）通过隔离板（18）将其空间分为可回收垃圾箱、不可回收垃圾箱、湿垃圾箱和有害垃圾箱，以上各个箱体内部分别安装了容量传感器（19），外部安装了指示灯（20），分类储存模块的外部安装有清洗按钮（21）。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述舵机（5）通过信号线与中央处理模块（12）连接，用于控制开合板（4）开合；所述步进电机（15）通过信号线与中央处理模块（12）连接，用于控制传送带（16）传送垃圾和推杆（17）推动垃圾；所述中央感知模块（12）的信号线分别连接容量传感器（19）和指示灯（20），用于接收容量信息并根据容量信息控制指示灯（20）；所述清洗模块（14）的信号线接入中央控制模块（12），用于接收清洗指令，实现对分类传送模块（2）和分类储存模块的清洗（3）；所述清洗按钮（21）的信号线接入中央控制模块（12），用于控制清洗模块（14）；所述电源模块（13）的信号线分别接入中央处理模块（12）、舵机（5）、清洗模块（13）、步进电机（15）和指示灯（20），为整个智能垃圾桶提供电力支持。
3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述推杆（17）的顶端安装有第二红外传感器（22），接受到中央处理模块（12）的分类命令时，相应推杆（17）的红外传感器（22）被触发，当垃圾达到相应推杆（17）前方时，红外线被阻断，此时步进电机（15）带动推杆弹出并迅速收回。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述声源传感器（6）用于检测垃圾进入，通过信号线连接高清摄像头（11），用于触发拍照；所述湿度传感器（7）、温度传感器（8）、金属探测器（9）和第一红外传感器（10）分别用于检测垃圾湿度、温度、金属性和透光性等数字信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述声源传感器（6）、湿度传感器（7）、温度传感器（8）、金属探测器（9）、第一红外传感器（10）、高清摄像头（11）、容量传感器（19）均属于数据感知模块。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述中央处理模块（12）与数据感知模块相互通信连接，用于获取和储存的垃圾图像信息和数字信息。
7.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述中央控制模块（12）包括储存器和微处理器，储存器用于储存垃圾图像信息、数字信息和分类结果；所述微处理器用于接收和发送指令，控制整个系统的运行，且内设GPS定位，用于定位所述垃圾桶的位置，并写有已经训练完成的BP神经网络分类代码。
8.根据权利要求7所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述BP神经网络的训练样本源于前期远程在线分类的历史数据，即储存器前期储存的垃圾样本数据。
9.根据权利要求1或7所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述中央处理模块（12）将获取的图像和数字信息导入BP神经网络，BP神经网络输入层和输入层的激活函数为Relu激活函数，输出形式为[1000]、[0100]、[0010]、[0001]、[0000]，分别表示可回收垃圾、不可回收垃圾、湿垃圾、有害垃圾、分类异常；当输出结果为四种形式时，实现智能分类；当输出结果为[0000]时，中央处理模块（12）通过NB-IOT将垃圾图片信息传送远程控制平台，实现远程端人工在线分类，中央处理模块（12）接收智能分类结果或在线分类指令，控制舵机(5)和步进电机(14)运行。
10.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：所述容量传感器（19）安装与分类储存模块（3）的入口，通过信号线连中央处理模块（12），用于将获取的垃圾箱内的容量信息传输给中央控制模块（12），当垃圾箱达到容量上限时，中央控制模块（12）接收到满容信息并将信息发送至远程控制平台，在线监控人员根据GPS定位通知区域内的环卫人员及时处理。
11.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：中央控制模块（12）接收容量传感器（19）的信息，控制指示灯（20），到达容量上限时触发容量传感器（19）此时黄灯亮起，垃圾箱正常运作时绿灯亮起。
12.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于包括以下步骤：
S1、垃圾投入，声源传感器（6）触发高清摄像头（11）拍照，获取垃圾图像；湿度传感器（7）、温度传感器（8）、金属探测器（9）、第一红外传感器（10）检测到垃圾的湿度、温度、金属性和透光性等数字信息；
S2、图像数据和数字信息传入中央处理模块（12）中已经训练完成的BP神经网络，并输出分类结果；
S3、当输出分类结果为[1000]、[0100]、[0010]、[0001]中的任意一个时，中央处理模块（12）接收分类指令；
S4、当输出结果为[0000]时，中央处理模块（12）通过NB-IOT将垃圾图片发送至远程控制平台，远程控制平台的监控人员识别垃圾图片，实现在线分类并将分类结果发送给中央控制模块（12）；
S5、中央处理模块（12）按照分类指令发送脉冲信号驱动舵机（5）、步进电机运行（15），舵机（5）驱动开合板（4）打开，垃圾落入传送带（13），步进电机（15）带动传送带（16）将垃圾传送至相应垃圾箱入口，相应推杆（17）上的红外线被阻断，进步电机（15）带动推杆迅速弹出收回，将垃圾推入相应垃圾箱内；
S6、分类储存模块（3）中各个垃圾箱内的容量传感器（19）感知垃圾箱的容量状况，并将信息传输至中央处理模块（12），到达容量上限时触发容量传感器，中央处理模块（12）接收满容信号同时控制指示灯由绿灯亮切换为黄灯亮起，并通过NB-IOT将垃圾桶内部信息传送至远程控制平台，在线监测人员根据GPS定位通知区域内环卫人员及时处理；
S7、环卫工人根据定位找到相应智能垃圾桶，并通过指示灯（20）确认，完成垃圾清理，同时通过清洗按钮（21）触发清洗模块（14）实现分类传送模块（2）和分类储存模块的清洗（3）。
13.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能垃圾分类系统，其特征在于：远程控制平台通过NB-IOT集中管理指定区域内的智能垃圾桶群，用于接收垃圾桶的满容信号和分类异常信号，并向垃圾桶内的中央控制模块（12）发送控制指令，实现对智能垃圾桶的实时控制和管理。
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