基于樹莓派的智慧校園智能垃圾分類箱設(shè)計(jì)＊

陳云江，石登峰，陶家鼎，王德超

（延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延邊朝鮮族自治州 133002）

校園是人員密集度較高的場(chǎng)所，垃圾形成過(guò)程復(fù)雜、數(shù)量龐大，但高校產(chǎn)生的垃圾具有可回收性強(qiáng)的特點(diǎn)[1-2]。教育部2019 年召開的第四場(chǎng)教育發(fā)布會(huì)上介紹的2018 年教育事業(yè)發(fā)展有關(guān)情況數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)共有初中院校約5.2 萬(wàn)所，在校生約4 652.6 萬(wàn)人；高中院校約2.44 萬(wàn)所，在校生約3 931.2 萬(wàn)人；普通高校院所約2 663 所，各種形式的高等教育在校生約3 833萬(wàn)人。據(jù)此推斷，每年校園垃圾的產(chǎn)生量驚人，同時(shí)隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)、垃圾分類和“智慧校園”藍(lán)圖的構(gòu)建，掀起了研發(fā)適用于校園的智能垃圾分類裝置的熱潮[3]。

本文基于樹莓派設(shè)計(jì)了一種智能分類垃圾箱，主要針對(duì)高校產(chǎn)生的可回收垃圾（塑料瓶、易拉罐）及不可回收垃圾（果皮、瓜殼、電池）進(jìn)行自動(dòng)分類，并利用超聲波傳感控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走和避障。綜上所述，該款智能垃圾箱智能化程度高、分揀效率高、不受空間限制，能為學(xué)校垃圾分類工作提供智能化服務(wù)。

1 智能分類箱整體設(shè)計(jì)

垃圾智能分類箱主要由箱體部分、圖像識(shí)別部分、機(jī)械分揀部分、垃圾收納部分和底盤部分組成。以樹莓派為平臺(tái)，搭載AⅠ智能識(shí)別模塊、精準(zhǔn)分類模塊等實(shí)現(xiàn)垃圾智能化處理[4]。

1.1 箱體設(shè)計(jì)

垃圾智能分類箱外形整體設(shè)計(jì)為500 mm×500 mm×800 mm 的長(zhǎng)方體，采用金屬鋁型材作為支撐機(jī)架，箱體外側(cè)采用PP 板（聚丙烯塑料板材）。4B型樹莓派（Raspberry Pi，RPi）智能分類垃圾箱主體部分分為上、中、下3 部分。上層為識(shí)別分類區(qū)，是垃圾的投放、識(shí)別、分類結(jié)構(gòu)， 用于安置識(shí)別設(shè)備；中層為垃圾的儲(chǔ)存區(qū)，有2 類不同類別的垃圾收集箱，即可回收垃圾箱、不可回收垃圾箱（有害垃圾、生活垃圾），垃圾箱分為收放、供電設(shè)備等結(jié)構(gòu)；下層為智能分類垃圾箱整體的移動(dòng)與支撐結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 垃圾智能分類箱概念結(jié)構(gòu)

1.2 分類結(jié)構(gòu)與識(shí)別設(shè)計(jì)

分類與識(shí)別為整個(gè)垃圾分類結(jié)構(gòu)，由樹莓派搭載的AⅠ識(shí)別控制單元控制垃圾分類平臺(tái)進(jìn)行分類、攝像和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。1 號(hào)電機(jī)為42 步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)控制活頁(yè)式翻板1 機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)，分別轉(zhuǎn)位±90°；2 號(hào)42 步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)控制活頁(yè)式翻板2 機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)，分別轉(zhuǎn)位±90°。當(dāng)接收到攝像識(shí)別系統(tǒng)反饋指令后，2 號(hào)電機(jī)首先進(jìn)行類別分別，將翻板轉(zhuǎn)至識(shí)別類型收集桶上停頓，再由1號(hào)電機(jī)帶動(dòng)翻板機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，使垃圾掉入指定的垃圾收集桶，停頓10 s 后，1 號(hào)電機(jī)、2 號(hào)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)返回初始位置，等待再次進(jìn)行分類。

1.3 分類儲(chǔ)存設(shè)計(jì)

中間部分為儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，設(shè)有3 個(gè)回收桶，分別對(duì)應(yīng)2 大類校園常見垃圾，第一類為可回收垃圾，例如礦泉水瓶、飲料瓶（鋁管、鐵管、塑料）、廢紙等可回收再利用塑料與鐵制品；第二類為不可回收垃圾，包含有害垃圾（電池）、生活垃圾（果皮、食品）和其他垃圾。垃圾桶上方為鏤空擋板，方便上方垃圾分類結(jié)構(gòu)將垃圾投入下方對(duì)應(yīng)垃圾桶。

1.4 控制與執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

電控執(zhí)行模塊以4B 型樹莓派為核心，搭配影像識(shí)別輸入模塊、輸出模塊、驅(qū)動(dòng)模塊（DBD 控制板、42步進(jìn)電機(jī)）構(gòu)成整個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)，電源采用2 組10300MAH-24 V 鋰電池組供給。

樹莓派作為整個(gè)電控部分的核心部分，主要執(zhí)行垃圾種類圖像采集處理與識(shí)別、執(zhí)行命令輸出，將分類結(jié)果由樹莓派GPⅠO 口發(fā)出指令信號(hào)，通過(guò)DBD 控制板驅(qū)動(dòng)1 號(hào)、2 號(hào)步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn)到制定位置。DBD控制模塊接線方法如圖2 所示。

圖2 DBD 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接線方法

1.5 底盤設(shè)計(jì)

智能分類垃圾箱的移動(dòng)及支撐主要由底盤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，底盤系統(tǒng)主要由4 個(gè)57 型步進(jìn)減速麥克納姆輪輪組與型材支架組成。由于麥克納姆輪結(jié)構(gòu)和受力的特殊性，可通過(guò)控制每個(gè)輪組正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)整體垃圾箱在不同方向移動(dòng)，并通過(guò)箱體外側(cè)面的超聲波測(cè)距傳感器功能，實(shí)現(xiàn)底盤自動(dòng)行走和避障的功能[5-6]。底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 底盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 工作原理與運(yùn)行流程

采用4B 型樹莓派主要完成各個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)的集成、處理與分析和傳遞，控制各個(gè)模塊有序地完成相應(yīng)的功能指令，并控制相關(guān)電路完成所需的動(dòng)作。垃圾類別圖像識(shí)別模塊的算法主要以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為主[7]，輸出的垃圾分類信號(hào)轉(zhuǎn)化為電平輸送到GPⅠO 接口的繼電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等控制單元，各部電機(jī)完成指定動(dòng)作。分類單元執(zhí)行命令框架如圖4 所示。

圖4 分類單元執(zhí)行命令框架

智能分類垃圾箱實(shí)現(xiàn)智慧校園運(yùn)行的流程如下：初始狀態(tài)時(shí)，紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)移動(dòng)過(guò)程中的障礙，實(shí)現(xiàn)自我避障功能，同時(shí)還設(shè)有人體識(shí)別功能。例如在課間休息時(shí)間能根據(jù)移動(dòng)人數(shù)多少實(shí)現(xiàn)某一僻靜位置靜止，同時(shí)根據(jù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)多頻率移動(dòng)式追蹤功能，確保下課時(shí)人員攜帶的垃圾能及時(shí)被智能垃圾箱收集。當(dāng)垃圾箱滿載時(shí)停止運(yùn)動(dòng)并將滿載和定位信息傳遞給保潔人員，若垃圾箱未滿則垃圾箱開始移動(dòng)。當(dāng)垃圾投擲者從遠(yuǎn)處逐步靠近垃圾箱并超過(guò)超聲波測(cè)距模塊預(yù)設(shè)的下限范圍時(shí)，垃圾箱短暫停留。若有垃圾被扔進(jìn)箱內(nèi)，則通過(guò)AⅠ影像識(shí)別輸入模塊完成對(duì)垃圾的圖像數(shù)據(jù)采集后，樹莓派對(duì)垃圾類別進(jìn)行判定，再通過(guò)機(jī)械控制執(zhí)行模塊打開相應(yīng)的垃圾箱蓋板，完成垃圾的自動(dòng)分類并檢測(cè)垃圾箱的滿溢程度；若無(wú)垃圾被扔進(jìn)箱內(nèi)，則垃圾箱繼續(xù)移動(dòng)。智能分類垃圾箱智慧校園工作流程如圖5 所示。

圖5 智能分類垃圾箱智慧校園工作流程

3 總結(jié)及展望

基于樹莓派為平臺(tái)的智能分類垃圾箱設(shè)計(jì)，不僅有效解決了校園內(nèi)學(xué)生缺乏“垃圾分類”意識(shí)與舉措，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)智慧校園構(gòu)建時(shí)遇到的各類垃圾“減量化、資源化、無(wú)害化”處理提供了理論模型及方案設(shè)計(jì)，積極實(shí)現(xiàn)垃圾分類為社會(huì)帶來(lái)極大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”的一種科學(xué)管理方法。

本設(shè)計(jì)雖然能為智慧校園垃圾的綜合處理提供幫助，但也需要進(jìn)行不斷改進(jìn)，加入物聯(lián)、互聯(lián)技術(shù)，在應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)境中深入研究技術(shù)，加大研究成果的轉(zhuǎn)化及推廣，真正意義上進(jìn)行垃圾分類舉措的變革。