基于樹(shù)莓派下智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)

段昆昕 江秋儀 陳鋒楠 楊家來(lái) 付 羿

（廣州城市理工學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，日常生活中產(chǎn)生的垃圾逐漸增多，由于環(huán)境逐漸惡化，因此通過(guò)垃圾分類管理最大限度地利用垃圾資源、減少垃圾處置量以及改善生存環(huán)境質(zhì)量是當(dāng)前世界各國(guó)共同關(guān)注的問(wèn)題。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)生活垃圾年產(chǎn)量超過(guò)15×10t，并且城市垃圾以8%~10%的年增長(zhǎng)率在不斷增多。目前，全國(guó)城市生活垃圾累計(jì)堆存量達(dá)到70×10t。根據(jù)住建部2020年初的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已經(jīng)有237個(gè)城市啟動(dòng)垃圾分類工作，垃圾分類已成為全民共識(shí)，各地都在積極推進(jìn)垃圾分類工作。

目前，居民生活垃圾分類方式還是以人工自覺(jué)分類投放為主，現(xiàn)實(shí)中仍有很多居民還沒(méi)有養(yǎng)成垃圾分類的習(xí)慣，在垃圾分類的過(guò)程中，許多群眾對(duì)垃圾分類的標(biāo)準(zhǔn)和要求并不熟悉，存在垃圾分類效率低的問(wèn)題。智能分類垃圾桶可以協(xié)助居民高效地進(jìn)行垃圾分類，還可以在處理過(guò)程中利用掃描儀為居民提供知識(shí)反饋，方便居民學(xué)習(xí)垃圾分類的知識(shí)，從根本上提高分類的效率。因此，基于以上垃圾分類的市場(chǎng)痛點(diǎn)，該文設(shè)計(jì)了一款可自動(dòng)開(kāi)蓋、識(shí)別分類、處理效率高、輕便且成本低的智能分類垃圾桶。它主要采用圖像識(shí)別技術(shù)，樹(shù)莓派控制器通過(guò)攝像頭對(duì)桶內(nèi)垃圾進(jìn)行識(shí)別，并將分析所得信息反饋給Arduino控制器，控制器再對(duì)其他構(gòu)件進(jìn)行控制，從而完成垃圾分類的工作。

1 系統(tǒng)總體組成架構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 垃圾桶整體結(jié)構(gòu)解剖圖

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由樹(shù)莓派、Arduino、USB攝像頭、舵機(jī)、散熱風(fēng)扇、太陽(yáng)能板和其他傳感器組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖

樹(shù)莓派是整個(gè)智能垃圾桶的核心，主要負(fù)責(zé)處理由攝像頭采集的圖片。樹(shù)莓派與Arduino之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，樹(shù)莓派可以將分析的結(jié)果傳輸給Arduino，從而判斷圖像中的垃圾屬于哪一類別，再將結(jié)果反饋給Arduino并做出相應(yīng)的響應(yīng)。Arduino控制器主要負(fù)責(zé)接收樹(shù)莓派處理后的垃圾類別信息，給舵機(jī)輸出一個(gè)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使垃圾落到對(duì)應(yīng)的桶內(nèi)，再通過(guò)程序設(shè)定復(fù)位舵機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)智能分類的目標(biāo)。

智能垃圾桶中的傳感器主要包括攝像頭和紅外線傳感器。攝像頭使用的是USB攝像頭（高像素廣角攝像頭），能使識(shí)別區(qū)域更大、更清晰，從而精準(zhǔn)地獲取垃圾物的圖像。紅外線傳感器的主要功能如下：當(dāng)感應(yīng)到人靠近智能垃圾桶時(shí)會(huì)將信號(hào)傳到Arduino中，從而驅(qū)動(dòng)舵機(jī)打開(kāi)垃圾桶的蓋板，并開(kāi)啟箱體內(nèi)的LED燈帶對(duì)垃圾物進(jìn)行照明。

舵機(jī)和太陽(yáng)能板主要用于動(dòng)作執(zhí)行部分，舵機(jī)主要采用PID制算法，舵機(jī)上電后，給它一個(gè)固定的脈沖，舵機(jī)就能帶動(dòng)定軸撥板轉(zhuǎn)動(dòng)到指定的位置，從而實(shí)現(xiàn)分類存放垃圾的目標(biāo)。

1.3 主控制器

垃圾桶所采用的主控器是具有超高性能的樹(shù)莓派4B開(kāi)發(fā)板，樹(shù)莓派是一種搭載Linux內(nèi)核的單片微型計(jì)算機(jī)，應(yīng)用廣泛，體積?。▋H為信用卡大小的微型電腦），是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤(pán)，卡片主板周圍有4個(gè)USB接口和1個(gè)10/100以太網(wǎng)接口（A型沒(méi)有網(wǎng)口），可連接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，還包括視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口。

1.4 副控制器

該系統(tǒng)的副控制器與主控制器樹(shù)莓派進(jìn)行通信連接，從而控制舵機(jī)和紅外線感應(yīng)器。系統(tǒng)中所用的Arduino開(kāi)發(fā)板型號(hào)為Nano-V3.0，具有12個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口D2-D13和8個(gè)模擬輸入端口A0-A7；采用Atmel Atmega328P-AU單片機(jī)，支持USB下載及供電。

于是，韓素蘭說(shuō)服14家合作社和17家家庭農(nóng)場(chǎng)，希望成立一個(gè)聯(lián)合眾多農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體的“聯(lián)合社”，實(shí)現(xiàn)互惠共贏、抱團(tuán)發(fā)展?？墒?，全國(guó)尚無(wú)先例。2012年初，當(dāng)她去工商部門(mén)注冊(cè)“聯(lián)合社”時(shí)，工商人員不敢給她注冊(cè)。最后，在省農(nóng)委的協(xié)調(diào)下，幾經(jīng)周折才注冊(cè)成功。

1.5 舵機(jī)

舵機(jī)與定軸撥板相連，當(dāng)接收到分類信號(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)撥板將垃圾投入對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)箱體中。垃圾桶上使用的舵機(jī)接口規(guī)格為JP/FUTABA通用，扭矩為13 kg·cm，工作電壓范圍3.0 V~7.5 V，運(yùn)行速度為53 r/min~62 r/min，在工作過(guò)程中主要負(fù)責(zé)帶動(dòng)定軸撥板轉(zhuǎn)動(dòng)和開(kāi)啟（關(guān)閉）垃圾蓋。

1.6 USB攝像頭

垃圾桶上的攝像頭為高清智能自動(dòng)對(duì)焦的USB攝像頭，可支持多種操作系統(tǒng)，采用150°廣角鏡頭，AD自動(dòng)對(duì)焦，取景更精準(zhǔn)，呈現(xiàn)的畫(huà)質(zhì)也更高。

1.7 太陽(yáng)能板

垃圾桶的太陽(yáng)能板為多晶硅太陽(yáng)能電池板（最大功率為10 Wp，轉(zhuǎn)換效率大于或等于20%，工作電壓為17.6 V，電池排片數(shù)量為36（4×9）片），它是垃圾桶的主要能量來(lái)源。

1.8 紅外傳感器

垃圾箱的紅外傳感器的工作電壓為3.3 V~5.0 V，以數(shù)字開(kāi)關(guān)量的形式輸出。紅外傳感器感應(yīng)到人接近垃圾桶后就給Arduino一個(gè)信號(hào)，Arduino做出響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)其中1個(gè)舵機(jī)打開(kāi)垃圾桶蓋（LED燈亮起）。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能垃圾桶的軟件系統(tǒng)主要由圖像采集、圖像識(shí)別、云端數(shù)據(jù)同步?jīng)Q策以及旋轉(zhuǎn)擋板控制等系統(tǒng)共同組成。

2.1 圖像識(shí)別系統(tǒng)

圖像識(shí)別系統(tǒng)是該智能垃圾桶實(shí)現(xiàn)垃圾分類功能的核心功能以及核心技術(shù)。

垃圾桶分類流程以及垃圾物識(shí)別功能如下：當(dāng)垃圾物投入桶內(nèi)時(shí)，攝像頭會(huì)馬上拍下垃圾物的圖像，并將拍攝所得信息傳送到Arduino中，Arduino又將信息傳輸?shù)街悄芾暗臉?shù)莓派中，樹(shù)莓派接收到信息后將其上傳至上層服務(wù)器中，并在已整合好的數(shù)據(jù)集中找到相同或類似的圖像信息，再負(fù)反饋到樹(shù)莓派中，樹(shù)莓派通過(guò)算法運(yùn)算和轉(zhuǎn)換將圖像信息反饋到Arduino中，Arduino則驅(qū)動(dòng)舵機(jī)對(duì)垃圾屋進(jìn)行分類，進(jìn)而將垃圾放置在所對(duì)應(yīng)的箱體中。

而基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別正是基于這樣的原理發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多層化處理主要以層級(jí)網(wǎng)絡(luò)的形式展開(kāi)，并將輸入層、卷積層、池化層以及全連接層等各部分聯(lián)系在一起。構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)編碼解碼結(jié)構(gòu)的自我深度學(xué)習(xí)功能并融合圖像目標(biāo)點(diǎn)檢測(cè)的識(shí)別研究和深度卷積網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的記憶模型，從而完成信息提取和學(xué)習(xí)處理任務(wù)，識(shí)別原理如圖3所示。

圖3 垃圾桶的圖像識(shí)別系統(tǒng)原理

2.2 紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)

紅外感應(yīng)器是一種能夠感應(yīng)目標(biāo)輻射的紅外線（在探測(cè)與感應(yīng)系統(tǒng)中應(yīng)用），因此將其作用于智能垃圾桶上。圖4為紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)的原理流程圖。當(dāng)人體接近垃圾桶時(shí)，紅外感應(yīng)器利用紅外線的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，將信號(hào)發(fā)射到Arduino中，Arduino驅(qū)動(dòng)舵機(jī)運(yùn)作，將蓋板打開(kāi)并啟動(dòng)LED燈帶進(jìn)行照明。在投入垃圾后，Arduino再次控制舵機(jī)閉合蓋板，為了降低能量消耗，要使LED燈帶和Arduino暫時(shí)休眠。

圖4 紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)原理

2.3 數(shù)據(jù)集

為了提高垃圾物的圖像識(shí)別率，需要從網(wǎng)絡(luò)以及日常生活中收集常見(jiàn)垃圾物素材，系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)集中存放了114 700張以上的圖片。而數(shù)據(jù)集中又分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，為了盡可能地提高圖像識(shí)別率，圖像會(huì)經(jīng)過(guò)云服務(wù)計(jì)算中心約4 000次運(yùn)算，在該情況下，垃圾桶的識(shí)別精度將高達(dá)85%。

2.4 云端同步系統(tǒng)

樹(shù)莓派通過(guò)攝像頭傳入的視頻流獲取單幀圖像并將其保存到本地文件中，實(shí)時(shí)更新圖像，通過(guò)通信系統(tǒng)傳輸?shù)椒?wù)端，服務(wù)端識(shí)別并將信號(hào)返回給樹(shù)莓派。云端數(shù)據(jù)同步?jīng)Q策，基于Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的可量產(chǎn)的大容量數(shù)據(jù)處理核心，通過(guò)數(shù)據(jù)云端同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的目標(biāo)。當(dāng)智能垃圾桶對(duì)垃圾物進(jìn)行識(shí)別和分類時(shí)，服務(wù)端將大量的數(shù)據(jù)信號(hào)傳給樹(shù)莓派，從而完成決策工作。

2.5 Arduino軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后對(duì)控制器外設(shè)進(jìn)行初始化并導(dǎo)入云服務(wù)計(jì)算中心訓(xùn)練數(shù)據(jù)模型。由Arduino控制器控制攝像頭拍照并利用數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析和處理，確定拍攝物種類后由樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板發(fā)送pwm信號(hào)給副控制器Arduino開(kāi)發(fā)板，Arduino開(kāi)發(fā)板接收處理過(guò)的垃圾類別信號(hào)并由該信號(hào)控制舵機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)擋板將垃圾推入相應(yīng)箱體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)垃圾自動(dòng)分類的目標(biāo)。

3 技術(shù)方案

根據(jù)仿生學(xué)原理，垃圾桶的識(shí)別功能是通過(guò)YOLO-R神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)雙目攝像頭采集圖像并回傳給樹(shù)莓派4B+平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算推演，獲取特征信息并編碼數(shù)據(jù)庫(kù)，以完成圖像實(shí)時(shí)訓(xùn)練任務(wù)。

為了節(jié)約垃圾桶內(nèi)計(jì)算平臺(tái)的成本，滿足新種類垃圾緊急預(yù)案的要求，使垃圾桶接入網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試數(shù)據(jù)同步云端，實(shí)現(xiàn)信息掌控和一體化的目標(biāo)。對(duì)同步到云數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分類、打包和分析，使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)標(biāo)注社會(huì)中實(shí)時(shí)出現(xiàn)的屬于新類別的垃圾信息，可以在短時(shí)間內(nèi)有效提高圖像識(shí)別的正確率。

通過(guò)大數(shù)據(jù)、問(wèn)卷以及科學(xué)分析，服務(wù)平臺(tái)自動(dòng)生成一套甚至多套解決方案，信息數(shù)據(jù)更新后將會(huì)以系統(tǒng)補(bǔ)丁更新的方式對(duì)已經(jīng)投放在社會(huì)上的垃圾桶進(jìn)行遠(yuǎn)程O(píng)TA推送升級(jí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化管理、自主決策、自動(dòng)升級(jí)的具有自我學(xué)習(xí)能力的智能分類垃圾桶。

4 試驗(yàn)結(jié)果

該項(xiàng)目測(cè)試中，樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板程序主要在Python上實(shí)現(xiàn)編程運(yùn)行，通過(guò)合理結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)械學(xué)習(xí)及軟硬件，智能分類垃圾桶可實(shí)現(xiàn)的功能如下。

4.1 自動(dòng)開(kāi)箱閉合

在感應(yīng)到人體投放垃圾時(shí)，感應(yīng)器帶動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)蓋動(dòng)作，離開(kāi)后閉合垃圾蓋，響應(yīng)速度快，方便迅捷。

4.2 智能垃圾分類

當(dāng)人們投入垃圾時(shí)，可以自動(dòng)分辨垃圾所屬種類，并通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)將垃圾自動(dòng)歸納至相應(yīng)垃圾箱體中。

4.3 太陽(yáng)能自主供電

該裝置安裝了太陽(yáng)能板，可以實(shí)現(xiàn)用電自給自足的目標(biāo)，同時(shí)配備插頭以便室內(nèi)或者在地鐵站、火車站等陰暗場(chǎng)所使用。

4.4 內(nèi)置照明系統(tǒng)

垃圾桶內(nèi)配備LED燈帶，可以提高垃圾識(shí)別準(zhǔn)確率，為夜間環(huán)境或陰暗場(chǎng)所提供一定照明，方便使用者快速識(shí)別該產(chǎn)品，后期也可作為垃圾桶外廣告板光源。

4.5 外置屏顯

垃圾桶搭配了1塊LCD液態(tài)晶體顯示屏。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保且方便維護(hù)。可顯示垃圾桶當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)正確識(shí)別垃圾后液晶屏將顯示垃圾類別，便于使用者了解垃圾類別。

4.6 語(yǔ)音播報(bào)

該裝置配備電子自動(dòng)發(fā)聲讀音器，包括底殼體、底板、內(nèi)置電路板、揚(yáng)聲器、固定在電路板上的語(yǔ)音芯片和放大電路，其特征是放大電路采用運(yùn)算放大集成塊，具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便以及讀音清晰的特點(diǎn)，可以為使用者提供垃圾分類的結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)生活水平的提高，日常生活產(chǎn)生的垃圾急劇增多，垃圾處理不當(dāng)帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境惡化促使人類要重視環(huán)境保護(hù)，亟需對(duì)各種垃圾進(jìn)行分類處理。該文對(duì)國(guó)內(nèi)外垃圾分類現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，設(shè)計(jì)了一款基于樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板下的智能分類垃圾桶。垃圾桶通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和云服務(wù)計(jì)算中心運(yùn)算，將垃圾分類的識(shí)別精度提高到85%，識(shí)別效果顯著。該產(chǎn)品具有輕攜化、環(huán)保化以及智能化的特點(diǎn)，可正常滿足家庭、咖啡廳以及會(huì)議室等場(chǎng)所的日常使用。產(chǎn)品設(shè)計(jì)遵循可持續(xù)性發(fā)展理念，可有效推動(dòng)我國(guó)環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。