基于機(jī)器視覺的家庭智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)

宋濤

（遼寧經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110122）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平也發(fā)生了巨大的變化，隨著人們生活的快速發(fā)展，同時(shí)產(chǎn)生的生活垃圾也逐漸增多。近年來，隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國城市垃圾平均每年以10%的速度增長，預(yù)計(jì)到2023年生活垃圾產(chǎn)生量將在4億噸以上，垃圾堆積不僅對(duì)環(huán)境有所污染，同時(shí)歷年堆存的垃圾還侵占了大量的土地，也是對(duì)土地的一種浪費(fèi)。通過對(duì)城市廣泛的實(shí)地調(diào)查和采樣分析，居民生活垃圾約占城鎮(zhèn)生活垃圾總量的60%以上。為了長期保護(hù)人類生存的環(huán)境，減少垃圾對(duì)環(huán)境的影響和破壞，家庭生活垃圾分類處理是每個(gè)人的重要責(zé)任和義務(wù)。雖然各個(gè)城市都制定了垃圾分類的政策，但是由于人們垃圾分類意識(shí)薄弱，垃圾分類知識(shí)缺乏，垃圾桶分類不清楚等因素，導(dǎo)致生活垃圾分類效果不明顯，有時(shí)只是擺設(shè)，而隨著人工智能技術(shù)中機(jī)器視覺技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使用機(jī)器視覺技術(shù)自動(dòng)識(shí)別垃圾成為可能，基于機(jī)器視覺的家庭智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)研究，就是利用人工智能中的機(jī)器視覺來實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭中的生活垃圾進(jìn)行自動(dòng)分類，提高垃圾分類的準(zhǔn)確性和處理效率。

1 垃圾分類介紹

人們?cè)谏a(chǎn)、生活中產(chǎn)生的大量垃圾，垃圾分類是可以減少垃圾處置量、可進(jìn)行無害化處理、減少土地占用，提高垃圾資源利用水平。垃圾分類是有利于民生的一項(xiàng)重要工程，這不僅是國家的職責(zé)，也是我們公民的義務(wù)，每一個(gè)公民都有責(zé)任保護(hù)我們的家園。人們的生活垃圾一般可分為四大類：一是可回收垃圾，主要包括廢紙、塑料、玻璃、金屬和紡織物五大類。廢紙主要包括報(bào)紙、期刊、圖書、各種包裝紙、辦公用紙、廣告紙、紙盒等。二是有害垃圾，主要包括廢電池、廢日光燈管、廢水銀溫度計(jì)、過期藥品等，這些垃圾需要進(jìn)行特殊處理。三是廚余垃圾，主要包括剩菜剩飯、骨頭、菜根菜葉、果皮等食品類廢物，這些垃圾可以進(jìn)行生物技術(shù)處理，可以制成有機(jī)肥料。四是其他垃圾，主要包括除上述幾類垃圾之外的磚瓦陶瓷、渣土、衛(wèi)生間廢紙、紙巾等難以回收的廢棄物。對(duì)于不同的生活垃圾要采用不同的方法進(jìn)行處理，這樣可以有效地減少對(duì)地下水、地表水、土壤及空氣的污染，降低了垃圾對(duì)環(huán)境的危害，減少城鎮(zhèn)土地的占用。

2 機(jī)器視覺技術(shù)

2.1 機(jī)器視覺技術(shù)定義

機(jī)器視覺就是指在機(jī)器上加上一個(gè)光學(xué)設(shè)置，使機(jī)器具有視覺功能，提高機(jī)器的自動(dòng)化和智能化的功能。也可以說機(jī)器視覺是一種模擬人類視覺系統(tǒng)的生物感官模擬器，機(jī)器視覺通過攝像頭采集目標(biāo)影像，并轉(zhuǎn)換成圖像信息，通過傳輸系統(tǒng)傳遞給圖像處理系統(tǒng)，將像素的分布情況及物體的圖像特征信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來提取目標(biāo)特征，例如物體的顏色、數(shù)量、位置、面積、長度等信息，這些圖像信息生成之后，再根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的條件進(jìn)行判斷，最后輸出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)人工智能方面的自動(dòng)識(shí)別功能[1]。機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)包括圖像采集、圖像處理、傳感器、人工智能、圖像識(shí)別、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、機(jī)械控制等技術(shù)。

2.2 機(jī)器視覺技術(shù)研究

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展和離散數(shù)學(xué)理論的完善，機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人們生產(chǎn)、生活中的各個(gè)領(lǐng)域中，尤其是西方發(fā)達(dá)國家，他們的機(jī)器視覺技術(shù)廣泛地應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)等方面。多傳感器信息融合是機(jī)器視覺技術(shù)研究的一個(gè)方面，它是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)等技術(shù)，將處于各個(gè)不同位置的傳感器信息收集起來，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和信息處理技術(shù)。主動(dòng)視覺也是機(jī)器視覺研究的一個(gè)方面，根據(jù)分析結(jié)果和視覺的要求，系統(tǒng)主動(dòng)地改變傳感器，使視覺系統(tǒng)能夠主動(dòng)地選擇和跟蹤研究目標(biāo)。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺理論，把視覺過程看作一個(gè)信息處理的過程，側(cè)重于研究二維圖像。通過模塊化的視覺計(jì)算和分層表示，獲得三維圖像，但是這種技術(shù)很難獲得三維景物的精確描述。三維重建技術(shù)也是機(jī)器視覺技術(shù)研究一個(gè)方面，它是根據(jù)單視圖或多視圖的圖像重新構(gòu)建三維圖形信息，利用計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)模型通過處理、分析等操作，獲得真實(shí)物體幾何形狀的技術(shù)。

3 智能垃圾桶設(shè)計(jì)

由于人們對(duì)垃圾分類知識(shí)缺乏，經(jīng)常出現(xiàn)垃圾分類不清楚的現(xiàn)象，為了提高垃圾分類效率，家庭智能分類垃圾桶的設(shè)計(jì)就很重要，機(jī)器視覺技術(shù)具有識(shí)別物體的速度較快、可重復(fù)性工作、適應(yīng)能力強(qiáng)和適用范圍廣等特點(diǎn)，提高了垃圾分類的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性，將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用到垃圾分類應(yīng)用中，為城鎮(zhèn)家庭的生活垃圾分類提供了便利。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

智能垃圾桶整體結(jié)構(gòu)分為上、中、下3層，上層安裝樹莓派開發(fā)板、太陽能電池板、LED燈、攝像頭、紅外線探測(cè)儀、煙霧探測(cè)儀和報(bào)警裝置；中層安裝機(jī)械傳動(dòng)裝置，主要安裝是舵機(jī)、隔板、擋板等，下層安裝四個(gè)箱體[2]，包括可回收垃圾箱體、有害垃圾箱體、廚余垃圾箱體和其他垃圾箱體，方便垃圾分類，同時(shí)垃圾桶還設(shè)置有感應(yīng)自動(dòng)開關(guān)、手動(dòng)、腳踏的開蓋功能，保障用戶這三種方式都可以正常打開垃圾桶上蓋。

樹莓派是基于Linux內(nèi)核的單片微型計(jì)算機(jī)，具有體積小、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板上有USB接口和以太網(wǎng)接口，可以連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)還有攝像機(jī)串行接口，以上所有的硬件都可以放在很小的主板上。智能垃圾桶系統(tǒng)是基于樹莓派開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)搭建，由于垃圾桶設(shè)計(jì)中要用攝像頭采集垃圾圖像，并把采集圖像進(jìn)行信息處理，然后才能進(jìn)行垃圾識(shí)別，識(shí)別后的垃圾進(jìn)行分類處理，類別系統(tǒng)還要控制舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并打開相應(yīng)的垃圾箱體的隔板，讓垃圾落入到系統(tǒng)指定的箱體中，這就要用樹莓派作為智能垃圾桶系統(tǒng)的開發(fā)板。

安裝的紅外線探測(cè)儀可以判斷垃圾是否裝滿，如果已經(jīng)裝滿會(huì)發(fā)出提示聲音，也可以進(jìn)行垃圾桶內(nèi)的溫度測(cè)量。機(jī)器視覺關(guān)鍵的硬件部分就是攝像頭，它決定了采集垃圾圖片的清晰度和對(duì)比度，在智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)中只選用了攝像頭，可以拍攝在指定區(qū)域內(nèi)的垃圾圖像。為了使垃圾圖片拍攝更加清晰，圖像識(shí)別更加準(zhǔn)確、效率高，在光源選擇上采用LED燈，這是由于LED光源發(fā)光均勻、亮度好。在智能分類垃圾桶的下層要放置4個(gè)分類垃圾桶，為了充分利用空間，所以分類垃圾桶采用的長方形結(jié)構(gòu)，并且上方都設(shè)有隔板，并且每個(gè)垃圾桶上都有垃圾分類標(biāo)簽，當(dāng)垃圾識(shí)別完成后對(duì)應(yīng)的垃圾桶上蓋將會(huì)打開，隨著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)將垃圾送到相應(yīng)的桶中。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家庭智能分類垃圾桶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由四部分構(gòu)成，分別為控制模塊、圖像采集模塊、圖像識(shí)別模塊、分類處理模塊系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 家庭智能分類垃圾桶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家庭智能分類垃圾桶的垃圾圖像信息數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，首先創(chuàng)建生活垃圾圖像數(shù)據(jù)庫，并將垃圾數(shù)據(jù)做好標(biāo)簽進(jìn)行分類，并將垃圾信息數(shù)據(jù)上傳到家庭智能分類垃圾桶數(shù)據(jù)庫中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度計(jì)算、分析和訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后的數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)模型文件同時(shí)形成垃圾圖像數(shù)據(jù)模型文件保存，可以運(yùn)用OpenCV對(duì)垃圾識(shí)別并進(jìn)行垃圾分類。如果數(shù)據(jù)庫查找不到此類垃圾，還可以人工錄入垃圾信息并設(shè)置垃圾分類的種類。

如果當(dāng)垃圾投入垃圾桶中時(shí)，將啟動(dòng)圖像采集系統(tǒng)，家庭智能分類垃圾桶的圖像采集系統(tǒng)包括圖像采集箱、攝像頭、光源、傳感器，其主要功能就是通過嵌入在垃圾桶頂部的攝像頭對(duì)投入的垃圾進(jìn)行拍攝，完成圖像采集工作。圖像處理系統(tǒng)就是通過樹莓派啟動(dòng)圖像識(shí)別功能，將拍攝下來的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到樹莓派設(shè)備中進(jìn)行垃圾識(shí)別，如果投入的垃圾沒有識(shí)別出來，則垃圾桶會(huì)出現(xiàn)報(bào)警聲音，提示不可識(shí)別，讓人主動(dòng)設(shè)置垃圾的分類[3]。如果通過圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)分析出垃圾類別，則啟動(dòng)垃圾分類系統(tǒng)。垃圾分類系統(tǒng)主要由分類的垃圾桶、樹莓派、舵機(jī)等構(gòu)成，系統(tǒng)功能就是分類系統(tǒng)中機(jī)械控制器發(fā)出指令給相應(yīng)的隔板，隔板打開后垃圾就投入到對(duì)應(yīng)的垃圾分類桶中，實(shí)現(xiàn)垃圾的自動(dòng)分類的過程?？刂葡到y(tǒng)就是通過指令控制攝像頭對(duì)垃圾進(jìn)行拍攝，完成圖像的采集，再將采集的信息處理、量化為數(shù)字信號(hào)，并把垃圾圖像信息發(fā)送到垃圾識(shí)別系統(tǒng)中進(jìn)行分析，并將分析的結(jié)果傳輸給垃圾分類系統(tǒng)，分類系統(tǒng)再對(duì)機(jī)械控制發(fā)出信息指令，打開相應(yīng)的垃圾倉門，將垃圾投放到指定的垃圾分類桶中，實(shí)現(xiàn)垃圾分類的控制和協(xié)調(diào)工作。

4 技術(shù)突破創(chuàng)新

4.1 智能垃圾桶的感應(yīng)系統(tǒng)

首先可以利用紅外探測(cè)儀智能檢測(cè)垃圾桶檢測(cè)內(nèi)垃圾的存儲(chǔ)容量，可以判斷垃圾是否裝滿，如果垃圾裝潢后，垃圾桶將會(huì)發(fā)出提醒信息，提示垃圾已經(jīng)裝滿，請(qǐng)用戶盡快處理。其次是紅外傳感器可以檢測(cè)是否有垃圾靠近，保障垃圾桶蓋在用戶扔垃圾時(shí)能自動(dòng)打開桶蓋。還有設(shè)計(jì)垃圾桶時(shí)還有溫控感應(yīng)系統(tǒng)，能夠及時(shí)檢測(cè)垃圾桶內(nèi)的溫度，如果一旦檢測(cè)垃圾桶內(nèi)的溫度超標(biāo)，將會(huì)發(fā)出報(bào)警系統(tǒng)提醒人們垃圾桶可能有火災(zāi)隱患，要及時(shí)查看垃圾桶的內(nèi)容狀況[4]。另外垃圾桶中還設(shè)置有煙霧感應(yīng)模塊，如果垃圾桶內(nèi)有煙霧出現(xiàn)，感應(yīng)器就會(huì)把測(cè)到的煙霧變成危險(xiǎn)信息傳遞給控制系統(tǒng)，將發(fā)出煙霧報(bào)警[5]。

4.2 垃圾桶外部設(shè)計(jì)

垃圾桶內(nèi)設(shè)置活性炭，可以吸附垃圾散發(fā)出來的異味，減少家庭里垃圾異味散發(fā)，另外垃圾桶在外觀設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)垃圾桶的密封性，防止垃圾味傳出來。垃圾桶的電源供應(yīng)可以是多種方式，一種是直接連接電源插座，也可以安裝鋰電池，還可太陽能電池板，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的垃圾桶。

4.3 手動(dòng)設(shè)置垃圾分類系統(tǒng)

在垃圾分類系統(tǒng)中，已經(jīng)提前輸入了一些常見的垃圾圖片，并且進(jìn)行了垃圾分類，但是總是會(huì)遇到一些數(shù)據(jù)庫中沒有的垃圾，家庭智能分類垃圾桶可以根據(jù)以前的分類方法給出一個(gè)垃圾分類的建議，也可以用戶自己設(shè)置垃圾的分類并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，還可以修改垃圾的分類。

5 結(jié)束語

隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)程不斷發(fā)展，每天產(chǎn)生巨大的生活垃圾已經(jīng)影響到我們的生活環(huán)境，人們也意識(shí)到要垃圾分類的重要性，垃圾分類可以督促人們守護(hù)資源、愛護(hù)生活家園、保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，讓廚余垃圾變廢為寶成為有機(jī)肥料，對(duì)可回收的垃圾進(jìn)行回收再利用，減少資源的浪費(fèi)。每個(gè)人都要認(rèn)識(shí)到垃圾分類關(guān)系到我們每一個(gè)人的生活，為了保護(hù)環(huán)境，為了拉高垃圾分類的效率，減輕環(huán)衛(wèi)工人的工作壓力，垃圾分類人人有責(zé)。智能分類垃圾桶將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)的科技應(yīng)用到家庭垃圾分類中，方便了家庭生活，人們不用再為如何進(jìn)行垃圾分類而發(fā)愁，它的設(shè)計(jì)符合社會(huì)發(fā)展需要，也滿足了個(gè)人的需求，不僅使我們家庭生活環(huán)境更加美好，還促進(jìn)了資源回收利用，在當(dāng)今綠色環(huán)保時(shí)代，家庭智能分類垃圾桶進(jìn)入每一個(gè)家庭將會(huì)成為社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。