基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛盛鋒 覃禮健 黃運(yùn)樟 王浩

摘要：正值建設(shè)美麗中國(guó)關(guān)鍵階段，我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向，推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)刻。垃圾的分類(lèi)處理是一直困擾著人們的一大難題，大部分居民對(duì)垃圾的分類(lèi)混淆不清。文章闡述了一種能實(shí)現(xiàn)自主垃圾分類(lèi)的智能垃圾裝置。該裝置運(yùn)用人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，將可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾4類(lèi)城市生活垃圾自主判別、分類(lèi)并投放到相應(yīng)的垃圾桶，從而實(shí)現(xiàn)垃圾的快速處理，解決了居民垃圾分類(lèi)難、效率低等問(wèn)題，進(jìn)一步將垃圾分類(lèi)落到實(shí)處。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；垃圾分類(lèi)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

“十四五”時(shí)期，我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向，推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)刻。雙碳愿景下的生活垃圾分類(lèi)數(shù)字化正在走進(jìn)人們的生活。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，中國(guó)垃圾清運(yùn)量的增長(zhǎng)速度與垃圾分類(lèi)知識(shí)和技術(shù)的普及速度并不匹配，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)如圖1所示。我國(guó)的垃圾清運(yùn)量都在20 000萬(wàn)t以上，隨著時(shí)間變動(dòng)垃圾總的清運(yùn)量呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)，總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。而在很多地區(qū)可以明顯看出清運(yùn)量和實(shí)際處理量之間存在差額，這也導(dǎo)致了眾多垃圾處理問(wèn)題的出現(xiàn)。

垃圾處理困境帶來(lái)的最突出的問(wèn)題是垃圾分類(lèi)難題，繁雜的垃圾種類(lèi)和投放規(guī)則一直困擾著人們。人們對(duì)于垃圾的具體分類(lèi)規(guī)則不太清晰，垃圾類(lèi)別“繁”，垃圾分類(lèi)“難”。通過(guò)對(duì)生活垃圾進(jìn)行智能分類(lèi)不僅可以幫助人們減輕負(fù)擔(dān)提高生活質(zhì)量，還可以支持國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)資源的再利用，促進(jìn)節(jié)能減排。本文將闡述了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾回收系統(tǒng)。

該智能垃圾回收系統(tǒng)中的主體為智能垃圾桶，其核心在于實(shí)現(xiàn)垃圾的自動(dòng)分類(lèi)，使用者只需要將垃圾丟進(jìn)垃圾桶，就能對(duì)垃圾進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和分類(lèi)。為解決該問(wèn)題，吳栓等^［1］設(shè)計(jì)了以英偉達(dá) Jetson Nano 人工智能平臺(tái)作為數(shù)據(jù)核心處理模塊，基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)垃圾圖像進(jìn)行識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的智能分類(lèi)裝置。王嫣嫣^［2］設(shè)計(jì)了基于STM32的具有自主分離功能的智能垃圾分類(lèi)裝置，利用多個(gè)并行布置傳送帶的差時(shí)同速運(yùn)動(dòng)和采用轉(zhuǎn)盤(pán)與撥板的差角運(yùn)動(dòng)方式對(duì)不同種類(lèi)垃圾進(jìn)行分離。郭韜文等^［3］設(shè)計(jì)了一種基于太陽(yáng)能供電的智能高效生活垃圾分類(lèi)裝置面通過(guò)太陽(yáng)能高效的轉(zhuǎn)化為電能極大地降低了能源成本從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。李學(xué)偉等^［4］針對(duì)老年人、上班族和盲人等群體設(shè)計(jì)了具有人機(jī)交互功能的智能垃圾分類(lèi)裝置，通過(guò)語(yǔ)音辨識(shí)實(shí)現(xiàn)垃圾的自主分類(lèi)投放。

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾回收系統(tǒng)，其核心控件為STM32芯片，結(jié)合K210模塊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)垃圾智能分類(lèi)；通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊將垃圾自動(dòng)化地投入對(duì)應(yīng)的垃圾收納箱中；通過(guò)實(shí)際組裝和軟硬件聯(lián)合測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)整體功能的合理性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)主要功能

本智能垃圾回收系統(tǒng)分為智能垃圾桶和用戶(hù)端應(yīng)用。智能垃圾桶可以實(shí)現(xiàn)垃圾的智能識(shí)別、垃圾自動(dòng)化分類(lèi)、垃圾桶存量數(shù)據(jù)上傳和GPS數(shù)據(jù)上傳等功能；用戶(hù)端應(yīng)用可以查詢(xún)附近已經(jīng)上傳的垃圾桶容量數(shù)據(jù)，提供用戶(hù)移動(dòng)端識(shí)別垃圾功能。智能垃圾桶主要通過(guò)運(yùn)行STM32主控芯片將各個(gè)感應(yīng)傳感器硬件連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；用戶(hù)端應(yīng)用主要以微信小程序和手機(jī)App呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。主要功能如下：

（1）通過(guò)紅外線(xiàn)感應(yīng)，使用者將垃圾投入內(nèi)部后，打開(kāi)投放口處的攝像頭和LED燈，對(duì)已經(jīng)投入的垃圾進(jìn)行拍照識(shí)別。（2）對(duì)于投入垃圾識(shí)別的結(jié)果，STM32主控控制轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，將垃圾傳送到指定的垃圾收納箱上方進(jìn)行投料。（3）在垃圾桶的運(yùn)行過(guò)程中，STM32主控會(huì)定時(shí)開(kāi)啟超聲波測(cè)距傳感器和GPS模塊，對(duì)內(nèi)部垃圾收納箱的垃圾存量進(jìn)行測(cè)算定時(shí)上傳GPS數(shù)據(jù)，將存量數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器。（4）用戶(hù)端可以通過(guò)手機(jī)定位上傳后，得到用戶(hù)附近的智能垃圾桶列表，且可以顯示該垃圾桶的存量數(shù)據(jù)。（5）用戶(hù)端將垃圾圖像上傳云服務(wù)器進(jìn)行智能識(shí)別后，將識(shí)別結(jié)果返回用戶(hù)端進(jìn)行相關(guān)展示，以輔助分類(lèi)。此外，在智能垃圾桶中配備了太陽(yáng)能板，以便對(duì)內(nèi)部的電池持續(xù)供電。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

智能垃圾回收系統(tǒng)主要有圖像數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)械驅(qū)動(dòng)模塊、垃圾存量模塊、垃圾識(shí)別模塊和用戶(hù)端平臺(tái)組成。具體系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以STM32處理器為核心，通過(guò)對(duì)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到智能垃圾桶的基本運(yùn)作狀態(tài)信息。各個(gè)模塊將數(shù)據(jù)信息傳送給STM32系統(tǒng)板，STM32再通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器。用戶(hù)端應(yīng)用程序通過(guò)指定的IP地址對(duì)服務(wù)器的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)和上傳相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

控制模塊主要使用STM32F103ZET6芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的控制。該芯片數(shù)據(jù)總線(xiàn)為32 bit，最大的時(shí)鐘頻率為72 MHz，存儲(chǔ)器大小為512 KB，采用ARM微控制器-MCU。F是表示芯片子系列，103表示增強(qiáng)型，Z表示144引腳，E表示512 K字節(jié)Flash，T表示LQFP封裝方式，6表示工作溫度-40～85 ℃。它還擁有睡眠、停止和待機(jī)3種低功耗模式，并且可用電池為RTC和備份寄存器供電，還配有存儲(chǔ)器等硬件，具有成本低、功能強(qiáng)、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)連接攝像頭模塊對(duì)垃圾進(jìn)行識(shí)別、GPS模塊進(jìn)行初始化定位，紅外線(xiàn)傳感器模塊進(jìn)行感知是否投入垃圾、超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行測(cè)算垃圾容量、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊進(jìn)行自動(dòng)化分類(lèi)投放垃圾、網(wǎng)絡(luò)通信模塊將垃圾存量數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳到云服務(wù)器，如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

GPS模塊接收到STM32定位信號(hào)時(shí)觸發(fā)定位功能，并返回定位數(shù)據(jù)，再結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。

紅外線(xiàn)傳感器可以感知紅外信號(hào)，STM32通過(guò)對(duì)紅外線(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的處理可以判斷是否有投入垃圾，再通過(guò)對(duì)應(yīng)引腳啟動(dòng)攝像頭模塊對(duì)圖像進(jìn)行多幀采集。STM32主控先將圖像數(shù)據(jù)傳送到K210模塊中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行識(shí)別圖像，再根據(jù)識(shí)別結(jié)果啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊將垃圾自動(dòng)化投入對(duì)應(yīng)的垃圾收納箱。在運(yùn)行過(guò)程中STM32主控會(huì)定時(shí)采集超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)，對(duì)垃圾容量進(jìn)行測(cè)算，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊將垃圾容量數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。

2.3 通信模塊

通信模塊選用ESP8266模塊，其支持的工作模式有3種：softAP 模式、station模式和softAP+station模式。僅需要通過(guò)串口使用AT控制，便可滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)功能需求。通信模塊可以通過(guò)station模式，搜索當(dāng)前附近的WiFi，通過(guò)輸入匹配的密碼便能連入互聯(lián)網(wǎng)。ESP8266模塊中也實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧，可以使用AT指令向云服務(wù)器端發(fā)起TCP連接。連接TCP服務(wù)器并開(kāi)啟傳輸模式后，模塊串口收到的數(shù)據(jù)就能夠通過(guò)TCP連接傳輸?shù)皆品?wù)器端，通信傳輸流程，如圖4所示。

2.4 用戶(hù)端應(yīng)用程序

用戶(hù)端移動(dòng)設(shè)備安裝相應(yīng)軟件，連接互聯(lián)網(wǎng)便可實(shí)時(shí)獲取云服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

（1）顯示附近垃圾桶數(shù)據(jù)功能。用戶(hù)連入互聯(lián)網(wǎng)之后可以在應(yīng)用程序端看到附近智能垃圾桶的地圖定位和智能垃圾桶的容量狀況。（2）上傳垃圾圖像識(shí)別功能。用戶(hù)可以通過(guò)移動(dòng)端應(yīng)用程序拍照上傳垃圾圖像到云服務(wù)器，云服務(wù)器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識(shí)

別之后將結(jié)果返回到應(yīng)用程序前端進(jìn)行相應(yīng)的展示。

3 結(jié)語(yǔ)

近幾年，中國(guó)將“碳達(dá)峰”“碳中和”納入生態(tài)文明建設(shè)總體布局。生態(tài)文明建設(shè)刻不容緩，而實(shí)行垃圾分類(lèi)，是生態(tài)文明建設(shè)中的重要一環(huán)。為進(jìn)一步將垃圾分類(lèi)落到實(shí)處，本文綜合運(yùn)用人工智能、圖像處理、智能控制等技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)。

本文主要對(duì)系統(tǒng)的電控和機(jī)械結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)介紹，經(jīng)過(guò)實(shí)物安裝、調(diào)試、測(cè)試和驗(yàn)證，有效實(shí)現(xiàn)了智能垃圾分類(lèi)，證明系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率均能夠達(dá)到預(yù)期效果。本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單便捷，功能實(shí)用，通過(guò)幫助人們減輕垃圾分類(lèi)負(fù)擔(dān)來(lái)提高生活質(zhì)量，在一定程度上解決了垃圾分類(lèi)混亂、垃圾亂丟亂放等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)在垃圾分類(lèi)方面的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，對(duì)“雙碳”愿景的早日實(shí)現(xiàn)獻(xiàn)一份力量。

參考文獻(xiàn)

［1］吳栓，徐聯(lián)冰，蘇克顯，等.智能垃圾分類(lèi)裝置硬件設(shè)計(jì)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022（9）：114-116.

［2］王嫣嫣，李潤(rùn)濤，彭自豪，等.具有自主分離功能的智能垃圾分類(lèi)裝置設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2022（12）：68-71.

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（編輯 姚 鑫）

Design of intelligent garbage collection system based on Internet of Things technology

Mao Shengfeng， Qin Lijian， Huang Yunzhang， Wang Hao

（Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract： At the critical stage of building a beautiful China， the construction of ecological civilization in China has entered a critical moment when carbon reduction is the key strategic direction， promoting the synergy of pollution and carbon reduction， promoting the comprehensive green transformation of economic and social development， and achieving quantitative to qualitative changes in ecological and environmental quality improvement. This paper describes an intelligent garbage device that can realize independent garbage classification， which uses artificial intelligence （AI）， Internet of Things and other technologies to independently identify， classify and put four types of urban garbage such as “recyclable garbage， food waste， hazardous garbage and other garbage” into the corresponding garbage cans， thus realizing rapid garbage disposal. The project has solved the problem of difficult and low efficiency of waste classification， and further put waste classification into practice.

Key words： internet of things; neural network; waste classification