基于深度學(xué)習(xí)的校園智能分類垃圾系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

鄭州科技學(xué)院 周 鑫 劉林陰 路 賽 王 曉 谷志梁

運(yùn)用深度學(xué)習(xí)的經(jīng)典算法卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于完成垃圾圖像的特征提取。紋理，形狀融合特征和HSV顏色特征分別作為Alexnet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本，完成卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)遷移，構(gòu)成垃圾分類模型，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)垃圾分類。基于該模型，實(shí)現(xiàn)校園智能垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。STM32作為主控制芯片，結(jié)合外圍驅(qū)動(dòng)電路。并構(gòu)建基于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)垃圾桶狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息反饋。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，我國(guó)居民的消費(fèi)水平越來(lái)越高，生活質(zhì)量不斷得到提升，但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背后，隱藏著嚴(yán)峻的垃圾處理問(wèn)題。中國(guó)擁有世界上最重的垃圾負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年產(chǎn)生近4.9億t垃圾，其中1.5億t在中國(guó)城市。垃圾完全是未充分利用的資源。減少?gòu)U物的產(chǎn)生量，加強(qiáng)垃圾污染治理，是全面建設(shè)小康社會(huì)，加快推進(jìn)城市現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

1 校園垃圾桶的使用現(xiàn)狀

校園是一個(gè)人員密度較高的場(chǎng)所，每天產(chǎn)生的可回收垃圾量巨大，而由于環(huán)境的特殊性，校園垃圾又具有集中性、多樣性和較強(qiáng)的流動(dòng)性、可利用性等特點(diǎn)。隨著“智慧校園”口號(hào)的提出和普及，校園分類垃圾桶的智能化已然成為趨勢(shì)。設(shè)計(jì)一款具有自主識(shí)別分類功能的校園智能垃圾裝置具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)存校園垃圾桶存在的4點(diǎn)問(wèn)題：（1）清潔問(wèn)題：垃圾桶臟，同學(xué)們望而卻步，垃圾桶污染嚴(yán)重，環(huán)衛(wèi)工人清理困難（2）分類問(wèn)題：垃圾桶內(nèi)魚龍混雜，干濕垃圾相互接觸，造成二次污染，可回收與不可回收垃圾混裝，分揀困難。（3）其他問(wèn)題：分類標(biāo)識(shí)模糊，標(biāo)識(shí)位置單一，盲區(qū)較多，垃圾桶假滿情況較多。（4）學(xué)生不清楚垃圾桶分類的詳細(xì)信息。

2 用戶需求分析

2.1 生理需求

現(xiàn)有校園道路垃圾桶的分類大致有兩類：（1）通過(guò)桶身顏色來(lái)區(qū)分垃圾的種類，但不同的顏色沒(méi)有明確對(duì)應(yīng)的垃圾桶種類，分類的方式?jīng)]有達(dá)到共識(shí)（2）通過(guò)垃圾桶表面的標(biāo)志來(lái)區(qū)分，這種方式通常只給一個(gè)寬泛的類別，沒(méi)有明確指出分類細(xì)節(jié)。

設(shè)計(jì)一桶三分式垃圾桶，配置可根據(jù)桶內(nèi)垃圾填充狀況，調(diào)節(jié)桶內(nèi)空間分配布局的分桶葉片，在根本上解決了一桶一分式垃圾桶的占地面積大問(wèn)題，同時(shí)最大化提高垃圾桶內(nèi)的空間利用率。內(nèi)筒壁和外筒壁形成獨(dú)立空間，單獨(dú)放置塑料水瓶。且桶部設(shè)置語(yǔ)音識(shí)別和圖像識(shí)別功能，垃圾桶會(huì)根據(jù)垃圾特征，自動(dòng)打開(kāi)其對(duì)應(yīng)分類模塊的桶蓋，直接解決分類不清楚，不明確問(wèn)題。

2.2 安全需求

環(huán)衛(wèi)工人的工作時(shí)間在早上4點(diǎn)到5點(diǎn)之間，環(huán)境偏向昏暗特別在秋冬兩季，環(huán)境惡劣，可以通過(guò)附近的照明設(shè)備和垃圾桶自帶的提示，來(lái)降低危險(xiǎn)發(fā)生的概率，還存在表面污漬多，有異味的問(wèn)題，且存在門關(guān)不嚴(yán)，部分垃圾遺落在桶外的現(xiàn)象，主要原因由于設(shè)計(jì)合理性不到位。在設(shè)計(jì)上采用大敞口的造型，一定程度上可以提高投放的準(zhǔn)確率，用壓環(huán)和鉤子結(jié)構(gòu)配合，可以輕松固定住垃圾袋，減清清洗負(fù)擔(dān)。

2.3 社會(huì)需求

垃圾桶報(bào)廢率高，回收率低，造價(jià)問(wèn)題，垃圾桶的材料主要有金屬，塑料，木材三大類，對(duì)比其優(yōu)劣，最終選擇金屬為主材料，金屬耐腐蝕性強(qiáng)，可有效延長(zhǎng)利用周期。在金屬工藝加工上，常用的有折彎，切割和噴漆等，弊端在于不易加工結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜的產(chǎn)品?？山档驼蹚澋碾y度，減少加工上的難度，降低造價(jià)，并且設(shè)計(jì)為拼裝型，可易拆卸，方便移動(dòng)，且大大提高報(bào)廢后的利用率。

2.4 尊重需求

混裝習(xí)慣，導(dǎo)致回收者拾取困難，需要在臟亂的垃圾內(nèi)翻找水瓶，惡劣的環(huán)境對(duì)他們身體造成傷害，也漠視了他們被尊重的需求，在桶外側(cè)設(shè)置凹槽半開(kāi)放式利用他們拾取水瓶，同時(shí)內(nèi)筒壁和外筒壁形成的單獨(dú)回收塑料水瓶倉(cāng)，改善了原始需要在混雜桶內(nèi)尋辨的痛點(diǎn)。同時(shí)垃圾桶配置可手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)的按鈕，利用拾荒者尋求。

3 創(chuàng)新發(fā)展設(shè)計(jì)

3.1 研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

提出一種基于深度學(xué)習(xí)的校園智能分類垃圾系統(tǒng)，能夠通過(guò)可深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)造模型區(qū)分垃圾種類，并運(yùn)用NB-IOT擁有遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，以STM32為主控芯片，加上外圍驅(qū)動(dòng)電路，提高垃圾處理效率，減少資源浪費(fèi)。研究的主要內(nèi)容如下：

（1）實(shí)現(xiàn)垃圾桶自主分類：采用圖像傳感器結(jié)合Alexnet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法做到識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)，STM32單片機(jī)對(duì)識(shí)別信息進(jìn)一步處理，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)分類功能。

（2）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的獨(dú)立供電：采用風(fēng)光互補(bǔ)+可充電電池供電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的獨(dú)立供電和可持續(xù)供電。

（3）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性及遠(yuǎn)程監(jiān)控：基于NB-IOT的垃圾桶遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時(shí)反饋垃圾桶狀況，定位，故障反饋，桶滿情況等，后臺(tái)管理系統(tǒng)也可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)維護(hù)。

（4）垃圾的智能壓縮和破袋系統(tǒng)：垃圾的最高點(diǎn)達(dá)到設(shè)定的距離，被傳感器和紅外測(cè)距儀檢測(cè)到，壓縮板進(jìn)行壓縮，當(dāng)檢測(cè)達(dá)到3次時(shí)，不再進(jìn)行壓縮，直接進(jìn)行信息反饋到網(wǎng)絡(luò)，提醒工作人員清理。桶口設(shè)置塑料破袋爪，可進(jìn)行破袋操作。

（5）深度學(xué)習(xí)：機(jī)器可以像人類一樣進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，并且可以識(shí)別文本，圖像和聲音數(shù)據(jù)。它充分利用了經(jīng)典深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合了MATLAB和Hu不變矩陣的特征提取，灰度共生矩陣的特征提取，HSV顏色特征以及特征提取之前的圖像預(yù)處理，以進(jìn)行連續(xù)擴(kuò)展和遷移學(xué)習(xí)。

（6）采用一桶三分式設(shè)計(jì)，配置可調(diào)控空間的分桶葉片，設(shè)立內(nèi)外壁形成的獨(dú)立回收倉(cāng)，最大化減少垃圾桶占地面積，提高桶內(nèi)空間利用率。

3.2 創(chuàng)新特色概述

（1）通過(guò)研究與分析現(xiàn)有垃圾分類裝置和識(shí)別分類的算法，結(jié)合深度學(xué)習(xí)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，制定出智能垃圾桶系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，智能垃圾桶的功能設(shè)計(jì)方案以及監(jiān)測(cè)平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)，利用NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為監(jiān)測(cè)終端與平臺(tái)通信提供技術(shù)支持。

（2）采用可深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法一次訓(xùn)練多次使用，主要由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hu不變矩陣特征提取，灰度共生矩陣的特征提取、HSV色彩特征以及提取特征前的圖像預(yù)處理和遷移學(xué)習(xí)構(gòu)成。

（3）垃圾桶的智能壓縮和自主破袋系統(tǒng)，在不改變?nèi)藗兞?xí)慣的前提下改善垃圾桶性能，大大減少無(wú)必要人力回收清理，并提高了垃圾桶的壽命。

（4）采用一桶三分式設(shè)計(jì)，打破一桶一分常規(guī)，在根本上減少垃圾桶的占地面積，內(nèi)筒壁由三個(gè)分桶葉片分割為三個(gè)分類模塊，分桶葉片可根據(jù)各個(gè)分類模塊的垃圾填充狀況進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而改變桶內(nèi)空間分配布局，進(jìn)而最大化提高垃圾桶內(nèi)的空間利用率。同時(shí)內(nèi)筒壁和外筒壁形成單獨(dú)的回收倉(cāng)，回收瓶子，進(jìn)而減少因瓶子內(nèi)空設(shè)計(jì)造成的空間浪費(fèi)。從而提升整體垃圾桶空間利用。

3.3 基本路線

（1）基于深度學(xué)習(xí)的校園智能分類垃圾桶分為軟硬件兩部分。硬件主要由圖像傳感器，識(shí)別算法微處理器，STM32控制平臺(tái)，舵機(jī)執(zhí)行電路，能源供給電路以及檢測(cè)電路組成，檢測(cè)電路又由節(jié)能控制電路，故障反饋，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，安全保障電路構(gòu)成；軟件部分由例程的編寫，控制程序，AD設(shè)計(jì)，Matlab仿真驗(yàn)證構(gòu)成。

（2）硬件電路控制系統(tǒng)主要由圖像收集模塊，分類識(shí)別模塊，紅外傳感反饋模塊，微處理器，通訊模塊，機(jī)電和電源模塊構(gòu)成，其中圖像收集模塊與分類識(shí)別模塊相連，分類識(shí)別模塊，紅外傳感反饋模塊，通訊模塊，機(jī)電和電源模塊與單片機(jī)相連。

（3）以STM32為主控，構(gòu)建運(yùn)用基于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的垃圾桶遠(yuǎn)程檢測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是利用各種傳感器根據(jù)規(guī)定的通信協(xié)議將物體與物聯(lián)網(wǎng)相連的一種技術(shù)。眾所周知，這項(xiàng)技術(shù)的核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)，它是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的擴(kuò)展。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器被嵌入到空調(diào)，電網(wǎng)，垃圾桶等物理對(duì)象中，并與互聯(lián)網(wǎng)整合一起，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生活的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

（4）在Matlab中構(gòu)建Alexnet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并建立數(shù)據(jù)集訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)訓(xùn)練結(jié)果達(dá)到所需效果時(shí)，將訓(xùn)練后的模型遷移到處理器。執(zhí)行機(jī)制的設(shè)計(jì)，在得到分類結(jié)果后通過(guò)STM32單片機(jī)對(duì)一系列機(jī)械部件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同種類垃圾的精準(zhǔn)入箱。設(shè)計(jì)NBIOT通信系統(tǒng)，當(dāng)垃圾箱裝滿時(shí)或者系統(tǒng)某處發(fā)生故障時(shí)及時(shí)向管理中心反饋，以便管理人員及時(shí)處理。

（5）垃圾的智能壓縮，為防止垃圾桶桶內(nèi)垃圾過(guò)多，以及垃圾桶內(nèi)虛滿，假滿的問(wèn)題，設(shè)計(jì)在垃圾桶上方位置傳感器，內(nèi)側(cè)壁安裝紅外測(cè)距儀，位置傳感器有接觸式和接近式兩種，本設(shè)計(jì)選擇的是接近式位置傳感器，當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)就可以發(fā)出信號(hào)，無(wú)需直接接觸更適合本產(chǎn)品；紅外測(cè)距傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是在大于設(shè)定距離時(shí)反饋，接著進(jìn)行桶內(nèi)壓縮。

（6）深度學(xué)習(xí)經(jīng)典的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層中的每個(gè)卷積都由若干各卷積核組成，卷積核的作用是使輸入進(jìn)行卷積運(yùn)算，提取某一個(gè)特征，通過(guò)對(duì)后面的輸出結(jié)果反向傳播優(yōu)化卷積核從而得到最優(yōu)解，每個(gè)卷積核只可以提取一個(gè)特征，一般每個(gè)卷積層都有很多卷積核，通過(guò)這些卷積核可以提取多種特征，例如紋理，線條，邊緣等，這些特征只是一些淺層的，卷積層一般均有池化層，做卷積運(yùn)算后的降維處理，多層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)不斷地卷積池化，可以獲得更深層次的特征。整個(gè)鏈接層的功能類似于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，后者訓(xùn)練提取的特征，最終獲得所需的結(jié)果。

總結(jié)：垃圾分類和垃圾治理是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，如何運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)和設(shè)計(jì)手段，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的物來(lái)協(xié)調(diào)人與環(huán)境的關(guān)系是一個(gè)長(zhǎng)期課題，校園分類垃圾桶的設(shè)計(jì)與研究，雖然取得一定的成果，但對(duì)于全國(guó)范圍的垃圾分類與治理來(lái)說(shuō)，僅僅只是冰山一角。要推廣垃圾分類，只有因地制宜，科學(xué)劃分區(qū)域，制定好分類標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置合理的分類措施，才能建設(shè)良好的垃圾分類系統(tǒng)。高校也需先行一步樹(shù)立典范，不斷完善和優(yōu)化垃圾分類的體系，從校園走向社會(huì)，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化與垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)化。