张鹏飞,李 亮,潘一航,顾一畅

（浙江交通职业技术学院 智慧交通学院,浙江 杭州 311112）

0 引言

目前，我国农村垃圾处理管理粗放甚至无人管理，引起社会“垃圾靠风刮、污水靠蒸发”的调侃，从“垃圾围城”到“垃圾围村”绝不仅仅是一字之差，它已经成为影响农村人居环境改善的紧迫问题。虽然政策的不断优化使农村地区垃圾处理工作稳步推进，但面临的困境仍旧不少。因此，通过改进优化传统垃圾箱，结合定位技术研发智能环卫终端，实现垃圾回收智能调度，逐渐成为研究人员的关注焦点。

根据国内外相关文献报道，智能环卫终端的使用已经较为普遍，广泛分布于城市或乡村等多个场景，最近几年在国内外也诞生了一系列卓有成效的研究成果。王曙光等提出了一款内部由识别摄像头、重量传感器、电机等部件组成的Transhbot 垃圾桶[1]。当人靠近垃圾桶时，垃圾桶接收到感应，自动打开垃圾桶盖。将垃圾扔进桶内，桶盖自动关闭。Bin-e 公司研发了一款基于深度学习的图像识别的智能垃圾桶[2]。使用者需要在Bin-e 垃圾桶前先进行垃圾种类的扫描、投递舱口打开，将垃圾放入对应的垃圾桶内。Jia Gangyong 等提出了一种放在室内的回收装置，有多个投放口和收集箱，需要在显示屏进行选择操作后，自动感应开关投放口会根据所需要投放的垃圾类型开放相应种类的投放口，实现无接触式的投放垃圾[3]。祝朝坤等提出了一种智能垃圾分类房，该发明包含瓶、罐类收集箱，将垃圾分类细化，最右侧的有害垃圾收集处根据不同种类的垃圾，设置不同形状的投放口，且所有投放口周围都有醒目的颜色标记，能够直观地区分出来[4]。李优、穆林平提出了一种基于目标检测的智能垃圾分类垃圾桶，其中运用了迁移学习的垃圾分类模型，节省了大量的人力和时间[5]。陈欢、薛涛等人设计了一款具备强大功能的垃圾分类应用软件，具有分类指导、文本检索、图像识别等功能[6]。王莉、何牧天等人提出使用YOLOv5s 网络模型作为垃圾检测和分类，实现垃圾的检测分类[7]，极具创新性。为准确识别垃圾，洪树亮等人提出深度学习技术的图像分类模型[8]，也取得了较好的实际效果。

以上都是针对智能环卫终端设计的研究报道，但主要聚焦于终端的简单算法设计，或者存在结构设计简陋、调度不规范等问题，对于智能环卫终端的准确定位算法、结构优化的研究较少。基于此，该文研发了一款双模高精度定位的智能环卫终端设备，以及一套完整的定位监测控制系统，将基于模态识别的边缘计算算法融入MCU（Micro Controller Unit）底层，通过模组获取定位数据并对有用数据进行融合及传输，预计能够在云端显示误差为1 m 的定位信息。该产品适用国内大部分乡村的生活垃圾收运体制的整治工作，具有智能化自动压缩、站点精准定位监测、可监测容积动态变化、提前预警等功能。

1 总体方案设计

智能环卫终端内置传感器和GNSS（Global Navigation Satellite System）通讯系统，能够实时监测垃圾桶的容量和重量，当垃圾桶即将满或者重量将要达标时，会自动向相关人员发送提醒，工作人员可以根据垃圾桶的定位技术处理垃圾，避免溢满和不及时清理造成环境污染或影响居民生活等问题。其具备动态压缩功能，可通过压缩垃圾的方式，有效利用垃圾桶空间，减少垃圾更换的次数。通过与云端服务器的连接，智能环卫终端可以远程监控和管理，用户可以通过手机或电脑等终端设备查看垃圾桶的实时状态和数据，以及进行远程操作和管理。设计框图如图1 所示，技术路线图如图2 所示。该智能环卫终端设备可以监测垃圾桶的填充状态，如果垃圾填充量在90%~100%将自动进行压缩，垃圾达到压缩完后仍然超过90%，可以及时发送信息给相关人员，提高垃圾桶的使用空间。

图1 产品设计框图

图2 基于双模高精度定位的智能环卫终端设备技术路线图

该文所设计的智能环卫终端具有如下几个优点：

优点1：多功能集成，一体化结构设计。

智能环卫终端设备内部的处理单元通过红外传感器和重量传感器检测到的数据进行分析，以便根据垃圾的种类和数量进行分类和处理。

优点2：双模高精度定位技术，准确监测环卫站点垃圾溢出趋势和动态。

智能环卫终端设备利用多种传感器数据融合技术、GPS 技术等，结合实时校正算法，采集和分析位置数据，并与预期位置进行比较。

优点3：自动感知压缩，及时预警提示。

智能环卫终端结合传感器系统和控制单元，当监测到的垃圾高度和垃圾箱的负荷状态达桶内容量90%时，系统将自动上传至压缩装置，通过电机或液压系统驱动，垃圾能够被有效压缩，减少了溢出风险，同时减少了垃圾带来的气味和环境污染。

优点4：平台远程调度，提升运转效率。

产品可实现数据监测、根据监测数据自动发出提醒、进行远程调度等功能，做到程序闭环、实时响应。

2 系统硬件设计方案

该双模高精度定位环保智能终端系统由定位监测系统、超声波测距、24 V 无刷电机、毫米级雷达等组成。整体方案是通过LD2410B 毫米级雷达来检测有无村民来丢垃圾，使用ESP32CAM 摄像模块对丢的垃圾进行拍照，采用HX711 称重传感器（上限70 kg）来计算垃圾的重量。与此同时，使用DYP-A13 超声波测距模组计量垃圾桶内剩余容量，并传输给ESP32-S3 主控芯片，当容量超过一定程度，主控板发出指令使电机启动。电机采用24 V无刷电机，具有制动特性好、转矩性能优异、传动效率高及响应快的特点。电机启动带动推杆往下压，从而实现压缩垃圾的效果。此外该系统还具备紫外线和照明的功能，将采用MOS 管开关来控制紫外线灯带和照明灯带实现消杀和照明功能。双模GNSS 模块获取垃圾箱的定位信息，并传输给主控板，最后由SWD 串口将采集到的信息上传到云平台进行处理分析。原理图如图3 所示。

图3 产品硬件设计原理图

3 系统软件设计方案

该文软件设计基于产品工作流程。村民将垃圾按照分类放置投掷进环卫终端，智能环卫终端会根据获取的数据作出相应处理。当居民靠近时，智能环卫终端会通过毫米波雷达感知并打开垃圾箱；垃圾投掷进后，垃圾箱会作出相应判断并收集数据上传至云端。工人可以通过软件了解垃圾桶的实时情况。同时垃圾箱还具有风道除臭和紫外线消毒功能，保证不会污染环境。软件设计方案架构图见图4。

图4 软件设计方案架构图

产品软件设计主要包含以下内容：

（1）该项目需要运用高精度定位技术，以及传感器等技术准确上传环卫站点垃圾溢出趋势和动态，并且通过网页实时反馈信息。

（2）动态路线规划：终端利用定位技术可以实时监测垃圾投放点的数量和垃圾容量，结合智能算法进行动态路线规划。这样可以减少终端之间的空载行驶，优化垃圾收集车辆的运营效率。

（3）故障监测和维护：定位技术可以帮助监测智能垃圾处理终端的运行状态和故障情况。当终端出现问题时，可以通过定位信息快速定位并派遣维修人员，及时处理故障，保证设备的正常运行。

（4）数据统计和分析：通过定位技术，智能垃圾处理终端可以收集各个投放点的数据，包括容量利用率、投放频率等，利用这些信息进行数据统计和分析。这有助于优化垃圾收集策略、合理布局垃圾处理设备，并提供科学依据支持城市垃圾管理决策。

4 系统结构设计方案

智能环卫终端的外观考虑简洁、美观、耐用的原则，符合环保的理念，以适应农村及城市各种环境。垃圾桶内部则会设计不同的储存区域，用于分类垃圾的存放。每个区域通过颜色、标识、大小或形状等区分，方便用户准确投放不同类型的垃圾。结构设计图纸如图5 所示。

图5 智能环卫终端结构设计示意图（mm）

5 产品实物及测试

经过前期理论研究、软硬件设计以及结构设计，该文团队设计了智能环卫终端的产品模型，并就毫米波雷达测距、定位精度、称重、电动推杆行程等指标进行了相关测试，实物展示如图6 所示。测试项及结论见表1。结论表明，该研究在具有一定技术创新性的前提下，同时拥有优越的性能指标，值得推广。

表1 测试项及测试结论

图6 产品实物外观

6 结语

“双模高精度的定位环卫智能终端设备”是一种应对乡村振兴战略中垃圾处理问题的创新解决方案，是一款智能环卫终端，可以有效地解决乡村环卫站点垃圾收集运转能力不足、运转不及时、填埋污染土地等问题。智能环卫终端的推广和应用需要政府、企业和居民共同努力，以期实现垃圾处理的现代化和可持续发展。