基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能垃圾分類箱

謝堂，吳居豪，溫泉河

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州510000）

0 引言

隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，人們的生活水平日益提高、生活方式逐漸改變；但同時也帶來一些負(fù)面問題，例如生活垃圾日益增加。據(jù)統(tǒng)計，目前中國有1/3 以上的城市面臨著“垃圾圍城”的困局。中國每年產(chǎn)生的垃圾上億噸，全國600 多座城市堆放著80 億噸的垃圾，占用的土地超過5 億平方米。而我國目前處理垃圾的方法主要是依靠焚燒與填埋。這兩種方式都是治標(biāo)不治本，只能短治不能長治。此外，焚燒與填埋還會對環(huán)境造成惡劣的影響。焚燒會產(chǎn)生大量有害氣體污染空氣；填埋則使得一些地方的稻田土壤因滲入垃圾中的有害物質(zhì)被污染，導(dǎo)致稻米無法食用。顯然，對于城市而言，減少填埋場與焚燒場最有效的方法就是減少生活垃圾的產(chǎn)生。而可以有效減少垃圾產(chǎn)生的措施就是實(shí)施垃圾分類。

目前，我國主要還是依靠人工進(jìn)行垃圾分類，即放置幾個不同類別標(biāo)識的垃圾桶，行人需判斷手上的垃圾屬于何種類別，然后再投放到正確的垃圾桶內(nèi)。又或者將垃圾交給旁邊的工作人員，讓他們進(jìn)行垃圾分類并投放。雖然人工分類起到了一定的效果，但仍然不是長久之計。這樣不僅消耗了大量的時間、人力與物力，還會丟失垃圾桶自身最大的優(yōu)點(diǎn)，即方便與節(jié)省時間。因此，智能分類垃圾桶便應(yīng)運(yùn)而生。

盡管智能垃圾桶早有人提出與設(shè)計，但在公共場合中仍然無法得到廣泛應(yīng)用。其主要原因是成本過高以及基本不具備垃圾分類的功能等；而其主要的智能功能是利用紅外測距模塊感應(yīng)行人是否靠近垃圾桶，一旦靠近便自動揭開垃圾箱的箱蓋供行人投放垃圾；此外還具有語音提示功能以及驅(qū)動行走功能等等。顯然這類智能垃圾箱主要是針對家庭住居而設(shè)計的，很多功能在公關(guān)場合中并不適用。例如一旦行人只是從垃圾桶旁經(jīng)過并無投放垃圾之意，垃圾桶便會識別錯誤，消耗不必要的能源，大大增加成本。同樣，驅(qū)動行走功能與語音提示功能在喧嘩嘈雜的公共場所中也不切實(shí)際。此外，市面上雖有一些智能分類垃圾桶已能夠?qū)崿F(xiàn)可回收與不可回收的分類功能，但由于垃圾桶本身體積過大以及成本過高，而得不到廣泛的普及。最后因?yàn)槟壳暗闹悄芾诸愡€處于人為的給系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)，讓其與新數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)分類，但是這種分類方式因?yàn)槔男螤罨蛘邩邮降臄?shù)量過于龐大，導(dǎo)致分類不準(zhǔn)確。

1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能垃圾分類箱概述

本文論述的是一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能垃圾分類箱。通過人工智能學(xué)習(xí)架構(gòu)搭建出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將預(yù)先獲得的相關(guān)垃圾訓(xùn)練圖集輸入至卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練、分類，然后系統(tǒng)對行人投放的垃圾進(jìn)行拍照，獲取的照片與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里的樣本圖集進(jìn)行匹配對比，即根據(jù)輪廓識別、特征識別、色彩識別、材質(zhì)識別等識別方法來尋找兩者之間的共同點(diǎn)，最后再實(shí)現(xiàn)判斷歸類。本文提到的垃圾訓(xùn)練圖集主要分為三大類：可回收垃圾、不可回收垃圾以及有害垃圾。其中只需判斷行人投放的垃圾是否符合可回收垃圾與有害垃圾的特征，若都不符合以上兩種類別，便將其歸類為不可回收垃圾。

將機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)運(yùn)用到該系統(tǒng)中，通過機(jī)器學(xué)習(xí)中的聚類這種無監(jiān)督學(xué)習(xí)任務(wù)的方式進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，其具體工作為：系統(tǒng)通過對大量的垃圾進(jìn)行特征識別，然后對我們所預(yù)設(shè)的三種垃圾分類種類的獨(dú)特特征進(jìn)行劃分為三類，每類都收集大量數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)保存在一個數(shù)據(jù)庫里，當(dāng)遇到新的垃圾，該系統(tǒng)通過提取數(shù)據(jù)并且與數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，找出與系統(tǒng)哪類的數(shù)據(jù)相同或者相近，從而將其歸為一類，如果在系統(tǒng)內(nèi)部找不到與之相匹配的數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)自動通過現(xiàn)存數(shù)據(jù)對新數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷，系統(tǒng)自己判斷這類新數(shù)據(jù)屬于哪一類，從而使得分類更加準(zhǔn)確。

本文概述的智能垃圾分類箱實(shí)現(xiàn)的主要功能是：對行人投放的垃圾進(jìn)行拍照、垃圾的智能分類、吸附異味、感應(yīng)垃圾桶是否溢滿、Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)與自動報警等。其主要分為八個模塊：主控制模塊、機(jī)器視覺模塊、圖像處理模塊、圖像識別模塊、轉(zhuǎn)動模塊、感應(yīng)溢滿模塊、Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)模塊、報警模塊而機(jī)器學(xué)習(xí)功能因?yàn)椴贿m合單獨(dú)作為一個硬件模塊我們將其分配于圖像處理與識別模塊內(nèi)。系統(tǒng)運(yùn)行的主要流程圖如圖1 所示，垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

圖2 垃圾箱的結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控制模塊

主控制模塊主要由Arduino 控制器構(gòu)成。它是整個系統(tǒng)的大腦。當(dāng)壓力傳感器感應(yīng)到有垃圾投放時，Arduino 控制器便控制機(jī)器視覺模塊、圖像處理模塊、圖像識別模塊的運(yùn)行。當(dāng)圖像識別模塊識別出圖像的類別并反饋于主控制器后，Arduino 控制器將控制轉(zhuǎn)動模塊轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，實(shí)現(xiàn)垃圾的智能分類投放。Arduino 控制器如圖3 所示。

圖3 Arduino控制器

2.2 機(jī)器視覺模塊

機(jī)器視覺模塊安裝在垃圾投放口處，它是通過拍照來獲取投放平臺上垃圾的圖像。主要由攝像頭構(gòu)成。攝像頭采用USB 免驅(qū)動1080P 高清攝像頭，辨識清晰度大大提高；同時還具有160 度廣角，使得可拍攝的范圍大大增大；此外，還具有閃光燈功能，為其在昏暗的環(huán)境拍照提供了保證。USB 攝像頭如圖4 所示。

圖4 攝像頭圖片

2.3 圖像處理模塊

圖像處理模塊主要是對機(jī)器視覺模塊所拍攝的照片進(jìn)行分析處理。攝像頭所拍攝得到的照片可以視為一個大的二維數(shù)組，該數(shù)組的元素稱為像素，其值稱為灰度值。將拍攝的照片按照顏色和灰度值的大小轉(zhuǎn)化為灰度圖像、二值圖像以及真彩色RGB 圖像，以供圖像識別模塊使用。

2.4 圖像識別模塊

圖像識別模塊是根據(jù)圖像處理模塊所獲取的圖像進(jìn)行識別。將圖像與預(yù)先輸入至卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里的垃圾訓(xùn)練圖集進(jìn)行匹配，根據(jù)輪廓識別、色彩識別、材質(zhì)識別等識別方法尋求兩者之間共有的特征，然后根據(jù)編寫的圖像算法識別出投放的垃圾的類別。該模塊同時加入機(jī)器學(xué)習(xí)的功能，首先通過對識別到的垃圾的各種特征與系統(tǒng)已存在的特征進(jìn)行比對，若出現(xiàn)相同或相似，則歸為一類，同時將此數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)，擴(kuò)大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，使得下次識別更準(zhǔn)更快，而相對于當(dāng)前智能垃圾箱來說，如果遇到與系統(tǒng)所預(yù)存的數(shù)據(jù)無共同點(diǎn)的時候，系統(tǒng)就會出現(xiàn)識別不了的問題，但是對于我們的系統(tǒng)來說，因?yàn)榧尤肓藱C(jī)器學(xué)習(xí)的功能，所以當(dāng)遇到這類問題，系統(tǒng)就會通過對自己現(xiàn)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后自我判斷這個所收集到的新數(shù)據(jù)的特征，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的分類。

2.5 轉(zhuǎn)動模塊

當(dāng)圖像識別模塊識別出垃圾的類別并反饋于主控制模塊后，主控制模塊將根據(jù)編寫的算法控制轉(zhuǎn)動模塊轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。轉(zhuǎn)動模塊如圖5 所示：底下放置著三個垃圾桶，它們分別對應(yīng)可回收垃圾、不可回收垃圾、有害垃圾。三個桶體之間間隔120 度，它們的上方均安裝著一個放置垃圾的載物臺，也間隔120 度。該載物臺傾斜放置，上方開口，供行人投放垃圾；下方有個擋板。當(dāng)識別出垃圾的類別后，載物臺會沿著某個方向轉(zhuǎn)過120 度，轉(zhuǎn)到對應(yīng)類別的垃圾桶的上方，此時，載物臺下方的擋板會自動向上打開，垃圾便由于重力原因而下滑到對應(yīng)的垃圾桶內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)垃圾的智能分類投放。該載物臺之所以設(shè)置成三個而不是為了節(jié)約成本設(shè)置成一個，是為了避免載物臺因來回轉(zhuǎn)動次數(shù)過多而造成摩擦損耗，縮短工作壽命。當(dāng)只安裝一個載物臺時，載物臺轉(zhuǎn)過120 度將垃圾投放到對應(yīng)垃圾桶后，還需要轉(zhuǎn)回到投放口供行人投放垃圾，這樣大大增加了間隔時間以及摩擦損耗。而安裝三個載物臺可避免上述情況的發(fā)生。另外，我們設(shè)計的垃圾桶外表面包裹著一層活性炭層，可以有效地吸收空氣中有害氣體以及污染物質(zhì)。有很強(qiáng)的空氣凈化效果，這也有助于工作人員更好地清理垃圾。

圖5 轉(zhuǎn)動模塊

2.6 感應(yīng)溢滿模塊

此模塊主要用于檢測垃圾桶里的垃圾是否溢滿。為了使得感應(yīng)更加精確，又分為兩個小模塊：稱重模塊與超聲波測距模塊。稱重模塊用于感應(yīng)垃圾桶的重量是否超過了理論的重量值，該重量值我們會通過調(diào)查的方式，根據(jù)不同類別的垃圾桶其允許承受的最大重量而設(shè)置。為了避免行人投放的一些特殊垃圾過重，導(dǎo)致垃圾桶的重量雖超過了理論的重量值，但仍然未溢滿的情況發(fā)生，我們在垃圾桶內(nèi)壁的桶口處還設(shè)計了超聲波測距模塊。其工作原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時，記錄下該時間t，那么利用公式S=vt/2 就可以計算出超聲波源到障礙物之間的距離。當(dāng)垃圾未溢滿時，測的實(shí)際距離是桶的內(nèi)壁直徑；當(dāng)垃圾溢滿時，測的實(shí)際距離是超聲波發(fā)射器到垃圾的距離，從而判斷出垃圾桶已溢滿。同樣，為了避免行人投放的垃圾的長度過長，導(dǎo)致雖然檢測出距離小于桶的內(nèi)壁直徑，但垃圾桶仍然未溢滿的情況發(fā)生，我們規(guī)定只有稱重模塊與超聲波測距模塊均判斷出垃圾桶溢滿了，垃圾桶才算真正意義上的溢滿。此外，我們還設(shè)計一壓縮裝置。若超聲波測距模塊感應(yīng)出垃圾桶溢滿，而稱重模塊未作出相應(yīng)感應(yīng)，壓縮裝置將啟動，對垃圾進(jìn)行壓縮從而加大可投放垃圾的區(qū)域。

2.7 Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊

該模塊采用的是WU105 模塊。這是一款低成本的802.11b/g/n 串口Wi-Fi 模塊，支持串口與Wi-Fi 之間的數(shù)據(jù)傳輸。最大無線傳輸速率為150Mbps，模塊還提供UART 和多個GPIO 接口，其中GPIO 和PWM用于智能控制，UART 和SPI 接口用于設(shè)備通訊。通過該模塊可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)垃圾桶溢滿時，向該區(qū)域的垃圾處理總站發(fā)送報警信息，以安排清潔人員進(jìn)行垃圾清理；此外，還可以記錄該區(qū)域哪一種垃圾類別的報警次數(shù)最多與最少，從而幫助我們設(shè)計垃圾桶的體積大小，做到因地制宜。

2.8 自動報警模塊

當(dāng)感應(yīng)溢滿模塊判斷出垃圾桶溢滿時，系統(tǒng)將通過Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)模塊向該區(qū)域的垃圾處理總站自動發(fā)送報警信息，以安排清潔人員進(jìn)行垃圾清理。同時，垃圾桶的外體的LED 燈也會顯示出“XX 類別的垃圾桶已滿，請移步”的字樣。

3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)包括主控制模塊、機(jī)器視覺模塊、圖像處理模塊、圖像識別模塊、轉(zhuǎn)動模塊、感應(yīng)溢滿模塊、Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊、報警模塊八個模塊。當(dāng)擋板上的壓力傳感器感應(yīng)到有垃圾投放時，主控制器處于工作狀態(tài)，便開始控制機(jī)器視覺模塊對投放的垃圾進(jìn)行拍照取圖像，接著是圖像處理與圖像識別，識別后將信息反饋于主控制模塊，然后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，使得轉(zhuǎn)動模塊上的載物臺轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度，其上的擋板向上滑動，垃圾滑移到垃圾桶內(nèi)。當(dāng)溢滿模塊識別出垃圾桶溢滿時，系統(tǒng)將通過Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)模塊向該區(qū)域的垃圾處理總站自動發(fā)送報警信息，以安排清潔人員進(jìn)行垃圾清理。詳細(xì)的操作流程圖如圖6 所示。

4 應(yīng)用前景分析

本文論述的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能垃圾分類箱是在通過對各種樣式的傳統(tǒng)垃圾箱和現(xiàn)存智能垃圾箱進(jìn)行多次實(shí)際考察，總結(jié)目前現(xiàn)有垃圾桶的不足之處，從不足的地方著手，從而形成我們自己的創(chuàng)新之處，所以我們產(chǎn)品是從最根本的需求出發(fā)，改變現(xiàn)存的問題，對于改善目前社會上垃圾分類的不足有了很大提升。正是因?yàn)槲覀兯芯康闹悄芾诸愊溆辛溯^為完善的功能，而且相比于目前所存在的智能垃圾箱來說，我們的產(chǎn)品運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行圖像識別，這也給系統(tǒng)的圖像識別帶來了更大的便利之處，因?yàn)閷τ谄胀ǖ膱D像識別只是通過認(rèn)為的去選擇垃圾的某類特征進(jìn)行識別，而對于我們來說，更多的是通過機(jī)器學(xué)習(xí)使系統(tǒng)自己學(xué)習(xí)，自己通過所存儲的數(shù)據(jù)去判斷某類特征，從而分類有好的容錯性，而且也更加徹底。

圖6 操作流程圖

所謂智能分類垃圾箱就是體現(xiàn)在分類夠快，夠準(zhǔn)確，而相比于其他的智能垃圾分類箱，我們的產(chǎn)品剛好更加符合這兩點(diǎn)。其次是我們僅僅是將分類垃圾的類型定為三種，一種是可回收垃圾，另外一種是有害垃圾，最后一種是其余垃圾，這樣分類有多方面的有點(diǎn)，一個是相對于傳統(tǒng)垃圾箱來說，這么分類可以減少人工去對所有垃圾進(jìn)行分類，這樣對于環(huán)衛(wèi)工人來說有很大的衛(wèi)生隱患，而且還對可回收垃圾進(jìn)行了充分的回收和對有害垃圾的充分特殊處理，因?yàn)槟壳昂芏嗬际侵苯友b袋運(yùn)走，并沒有對垃圾進(jìn)行過濾掉可回收垃圾以及有害垃圾，從而導(dǎo)致一個是浪費(fèi)了資源，二是對有害垃圾處理不當(dāng)，容易造成環(huán)境問題。二是相對于目前所現(xiàn)存的智能垃圾分類箱來說，大多數(shù)的研究都是有著各種各式的分類，分類種數(shù)過多，導(dǎo)致對硬件與軟件的要求過高，而且實(shí)際作用并不大，這樣過于雞肋，不僅是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且還會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本過高。而我們只是將分類分為必要的種類，這樣既實(shí)現(xiàn)了垃圾分類而且還使經(jīng)濟(jì)成本降低，其次是現(xiàn)存的智能垃圾箱還處于通過與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行匹配而進(jìn)行分類，導(dǎo)致出現(xiàn)由于垃圾的外在形式和物理形態(tài)的改變而發(fā)生分類出錯或者分類不了的情況，而我們系統(tǒng)正是基于這點(diǎn)考慮才提出通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行分類，從而使得分類更加準(zhǔn)確，更不至于分類不了的情況。

基于以上觀點(diǎn)，我們此次設(shè)計的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能垃圾分類箱有著很好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

本文通過軟硬件的設(shè)計，設(shè)計了一款基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能分類垃圾箱。其主要采用圖像識別的方法來進(jìn)行垃圾分類。另外，采用重量感應(yīng)與超聲波測距的雙結(jié)合方法來判斷垃圾桶是否達(dá)到飽和狀態(tài)，大大提高了判斷的準(zhǔn)確性。與現(xiàn)有的智能垃圾分類箱相比，因?yàn)檫\(yùn)用到了機(jī)器學(xué)習(xí)的功能，使識別更加精確與靈敏，可實(shí)用性較高，較大提高了可回收垃圾的回收率，降低了人力物力財力的損耗，具有一定的使用價值?？偟膩碚f，該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于簡化垃圾分類的種類的基礎(chǔ)上加上了機(jī)器學(xué)習(xí)的功能，最大效益地改善了垃圾分類問題。