基于人工智能的智慧垃圾站的設(shè)計和實現(xiàn)

王曉斌，胡曉虎

（深圳市邁睿邁特環(huán)境科技有限公司，廣東深圳 518000）

眾所周知，垃圾站選址經(jīng)常會遇到鄰避效應(yīng)的問題，既在此位置為廣大居民的生活能帶來便利和利益的同時，也會產(chǎn)生一定的負面影響，若不能及時處理好其產(chǎn)生的不良影響，甚至?xí)霈F(xiàn)不受居民歡迎的現(xiàn)象。特別是垃圾站散發(fā)的氣味等，當大量垃圾無法得到及時清理，會散發(fā)陣陣讓人難以忍受的臭氣。因此，垃圾站在選址時，經(jīng)常會遭到所在片域居民的強烈抵觸，甚至為此產(chǎn)生居民與城管環(huán)衛(wèi)人員的沖突問題比比皆是。隨著我國城市化的逐步推進，居民的權(quán)利意識在逐漸增強，未來這一問題將更為突出。要解決這一問題，只能從源頭上改變。利用現(xiàn)代人工智能技術(shù)，實現(xiàn)垃圾站的智能管控目標，以及高效有序地進行垃圾分類處理，利用人工與智能相結(jié)合的方式，解決垃圾站人手不足的問題，提高垃圾站垃圾處理效率，避免垃圾長期堆積造成的不良影響。

1 垃圾分揀智能系統(tǒng)設(shè)計

放眼全球的垃圾處理方式，國外對城市生活垃圾綜合管理系統(tǒng)研究較多，普遍是針對城市生活垃圾管理具體情況進行應(yīng)用。例如，文獻[1]提出了模糊區(qū)間多目標混合整數(shù)規(guī)劃模型，用于大城市的固體廢物管理系統(tǒng)的優(yōu)化；文獻[2]將線性規(guī)劃應(yīng)用于區(qū)域有害廢物管理體系中并且提出了有效可行的管理方案；文獻[3]提出基于非線性動態(tài)規(guī)劃的時間序列模型，用于固體廢物發(fā)生量的預(yù)測等。而相較之下，我們國內(nèi)的生活垃圾管理系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究，仍處于起步階段，很多方面都還不太完善，大多主要集中在中轉(zhuǎn)站重要性的分析，以及對于各種生活垃圾處理的方法上進行研究的，無法滿足人們?nèi)粘５男枰?/p>

1.1 垃圾智能檢測設(shè)計

通過在現(xiàn)有常見垃圾種類分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合世界各類智能垃圾分類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，依照對垃圾合理分類方式的研究，對日常常見垃圾進行分類，并以此為依據(jù)進行人工智能的智慧垃圾站進行指標設(shè)計。具體垃圾分類檢測指標方式如下。

1.1.1 實現(xiàn)垃圾基礎(chǔ)分類

該系統(tǒng)的運行，能解決垃圾站在收集垃圾后，實現(xiàn)垃圾基礎(chǔ)分類，進行自主的垃圾分類打包，便于后續(xù)對分類垃圾的轉(zhuǎn)運處理。常見的四類生活垃圾分類：①對報紙、紙箱、書本、廣告單、塑料瓶、塑料、玻璃、金屬等可回收垃圾；②廢電池、廢燈管、廢藥品、廢油漆及其容器等有害垃圾；③菜幫菜葉、瓜果皮殼、魚骨魚刺、剩菜剩飯等廚余垃圾；④除廚余垃圾、可回收物、有害垃圾之外的生活垃圾的其他垃圾這四種分類方式的檢測，對于可回收垃圾，金屬類以其獨有特性可以直接測量判定，而塑料和玻璃等材質(zhì)，則可以利用垃圾透明度來進行判斷。而在廚房垃圾方面，通常采用檢測垃圾濕度來判別。利用既有金屬成分，又有其他材料的特征，來判別有害垃圾。通過垃圾密度檢測，可分類其他垃圾類別。

1.1.2 預(yù)先設(shè)置檢測時間

由于垃圾站的垃圾數(shù)量過于龐大，有時候垃圾分類特征并不明確，這時候系統(tǒng)程序判定模糊，很容易進行重復(fù)掃描，導(dǎo)致工作進程無法繼續(xù)推進，因此需要給檢測程序中設(shè)計掃描檢測的時間不超過5 s。

1.1.3 清晰顯示便于查詢

檢測系統(tǒng)設(shè)計能在檢測后，自主上傳數(shù)據(jù)的模式，并在垃圾站內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，便于工作人員實時了解站內(nèi)工作進程。

1.1.4 自主投放垃圾

利用智能化的檢測系統(tǒng)對垃圾進行分類處理后，還需設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)將分類后的垃圾自動投放功能，使得垃圾得到快速分類處理，有效提高垃圾站的垃圾處理效率，也讓垃圾處理更加環(huán)保。

此外，在垃圾站內(nèi)還可增設(shè)服務(wù)器，用以存儲垃圾分類的信息。特別注意的是，對于城市居民在生活中產(chǎn)生的垃圾，還應(yīng)加入垃圾的顏色、氣味、導(dǎo)電性、含水分程度，來作為分類參考研究的依據(jù)之一。

2 智能垃圾分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計

智慧垃圾站的系統(tǒng)控制采用STM32F103ZET6芯片作為主控芯片，系統(tǒng)還內(nèi)設(shè)金屬傳感器，透明度傳感器，濕度傳感器、質(zhì)量傳感器、GPS 定位模塊以及OLED 屏幕顯示，增設(shè)報警器、服務(wù)器、電機控制模塊等。如圖1所示。

圖1 智慧垃圾站

使得垃圾在投入后，垃圾站內(nèi)能夠人工智能地將其分揀。傳感器模塊按順序快速動作，并將檢測到的信號傳送到STM32中，經(jīng)由STM32中的系統(tǒng)檢測后判斷出所屬垃圾的分類，并能在OLED 顯示屏上顯示其分類結(jié)果。若系統(tǒng)監(jiān)測到當前垃圾是屬于四類垃圾分類之外的其他分類，系統(tǒng)無法正常解決其所在大的問題，這時系統(tǒng)內(nèi)部的報警模塊將會進入工作模式，并利用服務(wù)器端顯示垃圾分類數(shù)據(jù)。

2.1 金屬傳感器模塊

金屬模塊作為可回收垃圾以及有害垃圾的檢測工具，起到至關(guān)重要的作用，用來判斷所測物體中是否含有金屬物質(zhì)。所測的垃圾為金屬材料制品時，設(shè)計金屬傳感器的指示燈常亮。其工作原理是，系統(tǒng)中的振蕩器發(fā)生交變磁場，使得金屬垃圾內(nèi)產(chǎn)生的渦流在極大程度上降低了金屬模塊中振蕩器的振蕩作用，直至最后振蕩器停止。這時后級放大電路將從閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)為開關(guān)信號，系統(tǒng)以此來判斷檢測垃圾中是否含有金屬物質(zhì)。

采取這種檢測方式有個明顯的優(yōu)點，即此類檢測無需接觸待測物體，只需要在距離檢測物體4 mm 左右的范圍，就能快速做出判斷。結(jié)合市面上大多數(shù)金屬傳感器，發(fā)現(xiàn)LJ12A3-4-Z/BX 電感式的金屬傳感器應(yīng)量變化程度高，能實現(xiàn)響應(yīng)時間短，抵抗外部干擾性強，工作穩(wěn)定可靠的檢測需要，且這款傳感器的組成材料大部分以黃銅鍍鎳探頭為主，能提高金屬材料檢測的準確性以及靈敏性。

2.2 透明度傳感器模塊

透明度傳感器是用來區(qū)別除金屬外的可回收材料中其他材料的檢測模塊。其主要是采用紅外對管的工作原理，利用紅外線發(fā)射管與光敏接收管，來識別物體透明度，從而能快速區(qū)分檢測材料是否是類似玻璃、塑料等半透明垃圾。

當類似玻璃、塑料的這類有透明度垃圾進入紅外線發(fā)射管以及光敏接收管的檢測范圍時，紅外對管的發(fā)射端發(fā)射光束，接收端來接收光束。倘若被測垃圾是塑料或者玻璃等類似有透明度特點的垃圾時，光敏接收管能快速檢測到對面發(fā)來的紅外光線，但對于除此之外的其他垃圾材料則不具備穿透性，以此方式來做出垃圾分類判斷。同時，此透明度傳感器還可用作檢測垃圾站內(nèi)待分類垃圾囤放及分類垃圾區(qū)的裝載容量，當該區(qū)域的垃圾已滿時，能及時通知工作人員進行合理協(xié)調(diào)。

2.3 質(zhì)量傳感器模塊

質(zhì)量傳感器作為智能垃圾分揀系統(tǒng)的檢測模塊之一，主要是用于檢測垃圾的密度。這項檢測能快速區(qū)分被測垃圾是否屬于其他垃圾。質(zhì)量傳感器的性能與諧振頻率有密切的關(guān)系，它的工作頻率相當高，是分辨率很高的傳感器。還具有結(jié)構(gòu)比較簡單、性能非常可靠、成本相對低廉等特點。

2.4 濕度傳感器模塊

濕度傳感器在智能垃圾站系統(tǒng)分類檢測中，被用于對果皮、剩菜剩飯等垃圾進行檢測，通過快速判斷檢測垃圾是否含有水分。它采用直接接觸式檢測的方式，能自主分辨其中是自身富含的水分或者是其他垃圾表面覆蓋液體而帶有的水分，使得檢測的結(jié)果更加精確。此外，對于該傳感器部分設(shè)置了可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)變阻器濕度的閾值，用以區(qū)別含水量不同的垃圾種類。

2.5 顯示模塊

利用各個模塊單片機的信號傳遞，通過集中匯總的方式，在LED 顯示屏上顯示當前測量結(jié)果，以及系統(tǒng)判斷的垃圾檢測類別。經(jīng)由傳感器的檢測判斷，符合要求的信息則會通過顯示模塊在屏幕上顯示。

2.6 報警模塊

當經(jīng)由一系列傳感器對垃圾檢測分類后，若被測垃圾不屬于系統(tǒng)已有的四種垃圾分類之中，報警模塊則會發(fā)出響應(yīng)，利用蜂鳴器的嗡嗡聲，提醒工作人員此垃圾為分類外的其他垃圾，需要人工進行分類處理。

2.7 GPS定位模塊與主控模塊

智能垃圾站的設(shè)計最不能缺少的就是GPS 定位模塊，它是在進行垃圾分類檢測后，系統(tǒng)能準確將分類垃圾投遞到分類區(qū)域的指南針。將GPS 定位信息通過RS485串口的鏈接將定位信息上傳到智慧垃圾站的主控模塊。主控模塊以此來處理垃圾分揀系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，以及分類垃圾的數(shù)據(jù)比例，便于工作人員對垃圾處理數(shù)量的統(tǒng)計工作。

2.8 電機控制模塊

垃圾站內(nèi)，對于垃圾能實現(xiàn)智慧自動的輸送方式，最不可或缺的則是電機控制模塊。在垃圾的傳送以及分類投遞的過程中，都需要依靠電機的工作來進行。因此在以上傳感器檢測出垃圾種類以后，通過STM32主控模塊的控制，電機控制垃圾的運送方向，使得垃圾精準投入到對應(yīng)的垃圾囤放區(qū)域。

3 智能垃圾站系統(tǒng)設(shè)計

YOLOv5是近年來發(fā)布的目標檢測算法，Darknet作為專門提出YOLO 的框架，因為體積小，易安裝且移植性高等特點，被應(yīng)用于許多人工智能行業(yè)之中。以此為基礎(chǔ)進行以下系統(tǒng)設(shè)計。

通過大量的調(diào)查以及反映，可以發(fā)現(xiàn)大部分市民在進行垃圾投遞時，仍然沿用以往的集中式打包方式，并沒有很好地做到垃圾分類或者干濕分離等工作。有的市民雖然對垃圾進行分類處理，但投放仍舊存在錯誤，不少人對于如何分類怎么分類、還是存在疑惑，因此需要垃圾站的智慧系統(tǒng)來輔助分類。

將垃圾站的分類處理與實現(xiàn)資源循環(huán)相結(jié)合達到合，理處理城市垃圾，實現(xiàn)垃圾資源化的目的。利用上述的垃圾分類流程工作，可在垃圾站內(nèi)架設(shè)由太陽能電池及儲能裝置相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)，通過電機輸送軌道的方式輸送垃圾，使得垃圾投送效率大大提高。

垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計，要確保輸送的垃圾都在所有檢測器的檢測范圍之內(nèi)，然后設(shè)置垃圾檢測程序進行檢測，依照檢測器的檢測順序，對垃圾進行分類。若是金屬材料垃圾則輸送到可回收垃圾站中，對于濕度水分大的果皮、菜葉等則分配到廚房垃圾區(qū)域內(nèi)。將密度大，濕度不明確的垃圾劃分為人工檢測區(qū)，以此作為設(shè)計方案。

4 總結(jié)

基于人工智能的智慧垃圾站設(shè)計，預(yù)計起碼需要配備一臺智能垃圾分揀裝置，一臺控制服務(wù)器以及四塊分類區(qū)域，才能實現(xiàn)上述垃圾智能分類的改造，幫助站內(nèi)工作人員高效處理垃圾回收分類。利用STM32作為主控制程序芯片，搭載YOLO 系統(tǒng)作為控制基礎(chǔ)框架，利用濕度傳感器、透明度傳感器、金屬傳感器來對垃圾進行精確的分類檢測，并通過執(zhí)行相應(yīng)的控制機構(gòu)，實現(xiàn)垃圾精準對應(yīng)投放。本設(shè)計還外加屏幕顯示功能，便于工作人員對于垃圾分類進程的了解以及處理。通過對垃圾站智能升級改造，解決城市與居民之間的沖突，讓大家生活的環(huán)境更加綠色舒適。