基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
——以“趣分類”APP為例

衛(wèi)昱含，楊志錕，吳海倫，陳潤(rùn)澤，李 敏

（吉林建筑科技學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130114）

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，由于宣傳力度不夠和人們對(duì)環(huán)境污染的認(rèn)識(shí)程度和保護(hù)力度不夠，導(dǎo)致垃圾分類工作進(jìn)展并不順利，部分地區(qū)依然存在垃圾隨意投放現(xiàn)象。如何將這些“放錯(cuò)地方的資源”放到正確的地方去，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題之一。只有做好垃圾分類工作，才能夠進(jìn)一步優(yōu)化城市環(huán)境，減少污染，節(jié)省資源。

隨著科技的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，將互聯(lián)網(wǎng)與垃圾分類相結(jié)合，能更有效地進(jìn)行垃圾分類，由此提出基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“趣分類”智能垃圾分類系統(tǒng)，將互聯(lián)網(wǎng)與智能垃圾桶相結(jié)合，提高回收利用率，節(jié)省資源與人力，減少CO2的排放[1]。

2 設(shè)計(jì)思路

“趣分類”智能垃圾分類系統(tǒng)分為智能垃圾桶模式和APP應(yīng)用模式，二者分別在線上和線下工作，保證系統(tǒng)可以有效、穩(wěn)定地運(yùn)行。

2.1 智能垃圾桶模式

智能垃圾桶用于收集垃圾，檢測(cè)所投放的垃圾并實(shí)時(shí)反饋投放正誤，同時(shí)將檢測(cè)的結(jié)果上傳至網(wǎng)上，顯示在APP上。智能垃圾桶結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 智能垃圾桶結(jié)構(gòu)圖

智能垃圾桶由攝像頭、顯示屏、投放區(qū)、誤投區(qū)、收集區(qū)和垃圾袋取用區(qū)組成。

2.1.1 攝像頭

攝像頭用于識(shí)別投放垃圾住戶的識(shí)別碼，住戶注冊(cè)后，在手機(jī)上生成唯一的識(shí)別二維碼。住戶投放垃圾之前，掃描二維碼，用于系統(tǒng)標(biāo)識(shí)用戶，判斷垃圾投放正誤后，相應(yīng)積分發(fā)生累計(jì)或減少。

2.1.2 顯示屏

用于顯示提示信息。住戶掃描識(shí)別二維碼后，顯示屏顯示提示投放信息，投放完成后，顯示投放正誤，如投放正確，則顯示累計(jì)積分，如投放錯(cuò)誤，則提示住戶垃圾歸屬類別，并示意住戶重新投放。如住戶已遠(yuǎn)離，則以發(fā)送信息的方式提醒住戶，并問(wèn)詢住戶是否需要幫助投放。

2.1.3 投放區(qū)

住戶按照投放區(qū)上垃圾分類的標(biāo)識(shí)投放對(duì)應(yīng)的垃圾，投放口附近裝有掃描裝置，可識(shí)別住戶的識(shí)別碼，并掃描投放垃圾，如住戶投放正確，則會(huì)在對(duì)應(yīng)的APP上顯示投放正確，將垃圾放入對(duì)應(yīng)的收集區(qū)，并累積積分；如投放錯(cuò)誤，則會(huì)語(yǔ)音報(bào)警提示投放錯(cuò)誤，并將垃圾放置在誤投區(qū)，住戶可返回重新投放，若此時(shí)住戶已遠(yuǎn)離垃圾桶，則會(huì)在手機(jī)APP上顯示投放錯(cuò)誤信息，住戶可選擇機(jī)器幫助投放至正確分區(qū)內(nèi)，但會(huì)以扣除積分為代價(jià)；若住戶投放錯(cuò)誤，且在一定時(shí)間內(nèi)未選擇如何進(jìn)行投放操作，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)投放至爭(zhēng)取垃圾分區(qū)，但此時(shí)會(huì)以更多積分為代價(jià)[2]。

2.1.4 誤投區(qū)

主要用于放置投放錯(cuò)誤的垃圾，該區(qū)為連通區(qū)域，其下部有對(duì)應(yīng)各類垃圾的投放口，處于關(guān)閉狀態(tài)，含有抓取傳送模塊和計(jì)時(shí)模塊。當(dāng)有垃圾投放錯(cuò)誤時(shí)，下部對(duì)應(yīng)的投放口關(guān)閉，同時(shí)根據(jù)垃圾袋上的識(shí)別碼，給住戶發(fā)出投放錯(cuò)誤的提示信息，并開(kāi)始計(jì)時(shí)等待。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，住戶可返回取出存放在誤投區(qū)的垃圾，并重新投放；如超過(guò)規(guī)定時(shí)間，或住戶選擇幫助投放，則抓取傳送模塊會(huì)將垃圾投放至對(duì)應(yīng)區(qū)域，下部對(duì)應(yīng)垃圾收集口開(kāi)啟，收集垃圾，但此時(shí)，住戶的積分也會(huì)被對(duì)應(yīng)的扣除。

2.1.5 收集區(qū)

主要用于收集對(duì)應(yīng)類別的垃圾。該區(qū)的垃圾桶內(nèi)包含超重報(bào)警和滿載報(bào)警模塊，當(dāng)收集區(qū)的垃圾超過(guò)一定重量或某一高度后，將會(huì)通知垃圾集中站垃圾將滿，需要垃圾收集車收集處理[3]。

2.1.6 垃圾袋取用區(qū)

該智能垃圾桶還包含一個(gè)垃圾袋取用區(qū)，住戶如需領(lǐng)取垃圾袋，通過(guò)掃描識(shí)別碼的方式，領(lǐng)取一定數(shù)量的垃圾袋。為獎(jiǎng)勵(lì)住戶垃圾投放正確，系統(tǒng)可對(duì)投放爭(zhēng)取垃圾的住戶進(jìn)行標(biāo)注，住戶每正確投放一次，可免費(fèi)領(lǐng)取一定數(shù)量的垃圾袋，每錯(cuò)誤投放一次，則消耗一定積分，同時(shí)當(dāng)次無(wú)法免費(fèi)領(lǐng)取垃圾袋。也可單獨(dú)取垃圾袋，則需要消耗一定積分領(lǐng)取，如積分消耗至規(guī)定下限，則無(wú)法領(lǐng)取[4]。

2.2 線上APP模式

線上APP模式為住戶提供垃圾處理的相關(guān)信息和用戶積分變化等。該模式分為住戶模塊、上門服務(wù)模塊和信息反饋模塊。

2.2.1 住戶模塊

該模塊包含基本信息、積分查詢、通知消息和積分商城4部分。

（1）基本信息僅包含住戶的識(shí)別碼，該識(shí)別碼只與用戶手機(jī)號(hào)關(guān)聯(lián)，不涉及其他敏感信息，識(shí)別碼主要用于掃描垃圾時(shí)判斷該住戶投放是否正確，并確保住戶收到反饋信息。

（2）積分查詢用于顯示該住戶積分變化情況，包括積分的累計(jì)和扣除明細(xì)及原因。

（3）通知消息用于通知住戶垃圾投放是否正確，如投放正確顯示積分變更，產(chǎn)生累計(jì)；如投放錯(cuò)誤，則提示投放錯(cuò)誤，提示用戶返回重新投放，超過(guò)一定時(shí)間后，提示自動(dòng)扣除積分，并由系統(tǒng)自動(dòng)投放。

（4）積分商城用于顯示可兌換的禮品，住戶可根據(jù)累計(jì)的積分兌換物品或垃圾袋，垃圾袋的兌換可直接到智能垃圾桶的垃圾袋存取區(qū)兌換。

2.2.2 上門服務(wù)模塊

該模塊與回收站建立聯(lián)系，如住戶有舊電器、舊衣物等體積大或數(shù)量多的可回收物品時(shí)，可通過(guò)該模塊與回收站取得聯(lián)系，預(yù)約上門回收時(shí)間，省去住戶搬運(yùn)、尋找回收站的時(shí)間。上門回收完成后，對(duì)應(yīng)積分也發(fā)生累計(jì)，并顯示在積分查詢模塊[5]。

2.2.3 信息反饋模塊

(1)交通。改革開(kāi)放以來(lái)中國(guó)農(nóng)村的道路交通條件改善十分顯著，貧困地區(qū)也基本同步受益。2010年，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局監(jiān)測(cè)貧困地區(qū)99.5%的行政村通了公路[注]如無(wú)特別說(shuō)明，本文數(shù)據(jù)均來(lái)自國(guó)家統(tǒng)計(jì)局住戶調(diào)查辦公室歷年的《全國(guó)農(nóng)村貧困監(jiān)測(cè)報(bào)告》，中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社。。2010年以后農(nóng)村公路進(jìn)一步延伸到自然村落，并且更多的到組公路得到了硬化，交通狀況進(jìn)一步改善。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局貧困監(jiān)測(cè)報(bào)告，2016年全國(guó)貧困地區(qū)81%的自然村主干路面經(jīng)過(guò)了硬化處理，51%的自然村通客運(yùn)班車，絕大多數(shù)貧困村農(nóng)民的交通出行困難基本得到了解決。

為了更好完善垃圾處理機(jī)制，讓智能垃圾分類系統(tǒng)更好服務(wù)群眾，形成良好的互動(dòng)溝通環(huán)境，APP上建立信息溝通模塊，便于人們線上交流、發(fā)表評(píng)論，提出建議與需求，相關(guān)部門亦可進(jìn)入，及時(shí)做出回應(yīng)，有利于實(shí)現(xiàn)信息共享，加強(qiáng)對(duì)垃圾回收的處理和管理；讓住戶、垃圾收集管理機(jī)構(gòu)得到更好的溝通，不斷完善垃圾處理機(jī)制，形成良性循環(huán)。

同時(shí)，信息模塊還可發(fā)布垃圾分類等科普知識(shí)，便于人們掌握環(huán)保相關(guān)知識(shí)，讓每個(gè)人都稱為環(huán)境的保護(hù)者[6]。

3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 硬件設(shè)計(jì)

智能垃圾桶的硬件部分采用Kendryte（勘智）K210集成芯片作為核心，由掃描模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、報(bào)警裝置，抓取傳送裝置、無(wú)線信號(hào)收發(fā)裝置組成。

3.1.1 掃描模塊

掃描模塊包含兩部分，一部分為用于掃描住戶的識(shí)別碼的攝像頭，通過(guò)識(shí)別，可判別接下來(lái)的操作是否為該住戶，并針對(duì)該用戶的操作改變對(duì)應(yīng)的積分。另一部分為掃描投放的垃圾，利用OV2640攝像頭，通過(guò)隔行掃描的方式，借助感光芯片以及相關(guān)電路來(lái)記載和進(jìn)行圖像信號(hào)之間的傳輸，圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓值，并以視頻信號(hào)方式輸出，同時(shí)顯示屏上顯示投放垃圾的種類，并對(duì)投放垃圾的正誤進(jìn)行實(shí)時(shí)播報(bào)。

當(dāng)無(wú)垃圾投放時(shí)，顯示屏上可顯示垃圾分類信息，幫助人們記憶垃圾所屬類別，確保投放準(zhǔn)確。

3.1.2 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊外接在K210芯片上，K210芯片低電平觸發(fā)，外放語(yǔ)音播報(bào)識(shí)別的物體及投放正誤的信息。如住戶投放錯(cuò)誤，則語(yǔ)音提示錯(cuò)誤，通過(guò)無(wú)線信號(hào)收發(fā)裝置將信息發(fā)送到用戶手機(jī)上，并等待用戶的下一步確認(rèn)及操作；如投放正確，則語(yǔ)音提示正確，并累積積分，同時(shí)發(fā)送指令給垃圾袋領(lǐng)取區(qū)，住戶可根據(jù)提示免費(fèi)領(lǐng)取垃圾袋。

3.1.3 報(bào)警裝置

由壓力傳感器和紅外收發(fā)裝置組成，該部分模塊不顯示在用戶APP上，但與后臺(tái)控制中心聯(lián)網(wǎng)，向控制中心實(shí)時(shí)顯示垃圾桶收集垃圾情況及垃圾桶是否已滿載。通過(guò)設(shè)定重量和高度范圍值，限定垃圾桶的垃圾收集情況，當(dāng)超過(guò)限定值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線信號(hào)收發(fā)裝置，將超重或超高信息傳給控制中心，控制中心根據(jù)該垃圾桶所處位置，尋找其附近的垃圾中轉(zhuǎn)站，并通知中轉(zhuǎn)站收集垃圾，中轉(zhuǎn)站得到消息后，根據(jù)定位，通知距離最近的垃圾收集車，及時(shí)處理收集垃圾，避免垃圾桶超載超重。

3.1.4 抓取傳送裝置

抓取傳送裝置位于誤投區(qū)，由勾爪、導(dǎo)軌組成，當(dāng)住戶投放的垃圾報(bào)錯(cuò)后，投放區(qū)下部收集口關(guān)閉，并根據(jù)住戶識(shí)別碼通知住戶投放錯(cuò)誤，同時(shí)系統(tǒng)等待住戶反饋信息，如住戶返回，則抓取裝置將垃圾返回投放口，等待住戶二次投放；如住戶未返回，或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未響應(yīng)，則抓取傳送裝置將垃圾傳送至正確收集區(qū)，通知系統(tǒng)打開(kāi)下部收集口開(kāi)關(guān)，投放垃圾，同時(shí)反饋給系統(tǒng)，扣除住戶相應(yīng)積分。

3.1.5 無(wú)線信號(hào)收發(fā)裝置

該裝置與網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置，與手機(jī)APP聯(lián)網(wǎng)，住戶通過(guò)APP實(shí)時(shí)掌握垃圾投放、積分變動(dòng)、垃圾處理等情況。該模塊還與垃圾回收站建立聯(lián)系，如有住戶需提供上門服務(wù)，則可根據(jù)注冊(cè)的回收站的位置，通知離住戶最近的回收站，上門提取回收物品，并根據(jù)回收的物品，累計(jì)對(duì)應(yīng)的積分。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

采用802.1x協(xié)議實(shí)現(xiàn)基于用戶的網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)入控制，采用基于二層的認(rèn)證方式，對(duì)用戶接入時(shí)的安全性進(jìn)行認(rèn)證，用戶注冊(cè)時(shí)，只與手機(jī)號(hào)相關(guān)聯(lián)，并生成一個(gè)識(shí)別碼，該識(shí)別碼用于系統(tǒng)識(shí)別住戶，顯示積分變化，兌換垃圾袋等相關(guān)操作。

軟件編程采用MicroPython語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)在K210芯片上更簡(jiǎn)單、快捷的編程。首先建立本地模型數(shù)據(jù)庫(kù)，完成訓(xùn)練，生成kmodel文件。進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，注意區(qū)別顏色相近、形狀相似的垃圾。利用KPU圖形加速卡，完成圖形推理模型。檢測(cè)業(yè)務(wù)邏輯層等待攝像頭采集數(shù)據(jù)，并將采集的圖像傳入到KPU運(yùn)行，等待KPU處理完成后，把KPU處理的結(jié)果帶入?yún)^(qū)域?qū)佑?jì)算，最終識(shí)別位置和結(jié)果，并根據(jù)識(shí)別到的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記。攝像頭檢測(cè)到數(shù)據(jù)，處理識(shí)別完成后，將數(shù)據(jù)傳遞并在顯示屏上顯示，屏上顯示相應(yīng)的類別信息及投放是否正確的信息，同時(shí)發(fā)送命令至后臺(tái)，并根據(jù)后臺(tái)返回的指令響應(yīng)對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行相應(yīng)的顯示和操作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以K210為核心處理模塊，通過(guò)結(jié)合相關(guān)外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、垃圾分類及網(wǎng)絡(luò)連接等，完成了垃圾的智能識(shí)別與處理，并結(jié)合實(shí)際與住戶完成良好溝通，降低了垃圾分類工作的人力物力成本，極大地保證了資源的回收利用，用智能化的方式降低垃圾分類的負(fù)擔(dān)，培養(yǎng)人們垃圾分類的習(xí)慣，樹(shù)立了環(huán)保低碳理念，構(gòu)建綠色生活方式。