高精度智能垃圾分類回收系統(tǒng)

徐乾龍，王凌霄，趙志陽(yáng)，姜懿軒

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116000）

0 引 言

生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)乃至世界的重要發(fā)展戰(zhàn)略。垃圾分類、資源回收利用更是環(huán)境保護(hù)工作中的重中之重[1-4]。基于此，本文提出了一種基于樹(shù)莓派、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集垃圾分類、消毒、運(yùn)輸、回收于一體的智能化垃圾處理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。旨在提高民眾的垃圾分類意識(shí)、提升垃圾分類效率及資源回收利用率，同時(shí)促進(jìn)垃圾分類在全民中的認(rèn)知及普及程度，進(jìn)一步完成美好城市建設(shè)，從而更好地施行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)資源、經(jīng)濟(jì)循環(huán)的高質(zhì)量發(fā)展[5-8]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)硬件分為智能垃圾桶和運(yùn)輸回收車兩部分，并根據(jù)用戶歷次投放垃圾時(shí)的分類精準(zhǔn)程度將此次投放的垃圾分為三個(gè)待識(shí)別等級(jí)。將這三個(gè)識(shí)別等級(jí)對(duì)應(yīng)為三種垃圾分類速度?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)達(dá)成通信聯(lián)橋，連接并管理區(qū)域內(nèi)同時(shí)工作的多個(gè)智能垃圾桶和回收運(yùn)輸車。該產(chǎn)品通過(guò)NB-IoT技術(shù)[9]感知層的各傳感模塊，包括語(yǔ)音模塊、OpenCV視覺(jué)識(shí)別模塊、桶內(nèi)垃圾量紅外檢測(cè)模塊、垃圾桶和回收車的GPS定位模塊等，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)獲?。蝗缓笸ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層對(duì)信息進(jìn)行傳輸和處理，從而實(shí)現(xiàn)垃圾的識(shí)別、分類、打包、運(yùn)輸和回收的智能化和一體化。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將桶內(nèi)的垃圾分為高、中、低三個(gè)待分類等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)快、中、慢三個(gè)不同的二次分類速度。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

1.2 系統(tǒng)硬件

1.2.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用基于Linux系統(tǒng)的樹(shù)莓派Raspberry Pi 4B。得益于28 nm的CPU，4B相較于上代（樹(shù)莓派3B+）在處理速度、內(nèi)存和連接方面都有著突破性的提升，且其提供的桌面性能已經(jīng)可以與基礎(chǔ)的x86PC相媲美。其性能和所提供的拓展單元完全能夠滿足本設(shè)計(jì)要求，本文主要使用樹(shù)莓派4B完成以下3個(gè)功能：

（1）與OneNET云平臺(tái)通過(guò)自帶的WiFi模塊連接，將GPS信號(hào)、用戶所投放的垃圾類別信息提供給上位機(jī)，上位機(jī)獲取信息后進(jìn)行下一步的任務(wù)分配。

（2）通過(guò)USB將OpenCV所用的攝像頭與系統(tǒng)相連接，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速分析。（3）通過(guò)GPIO接口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N相連接，并接收指令打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶蓋。

1.2.2 通信技術(shù)

通信技術(shù)采用NB-IoT，本設(shè)計(jì)中由于用戶多，需處理的垃圾信息復(fù)雜，需要更高的通信速度、更穩(wěn)定的通信技術(shù)[2]。相較于LoRa技術(shù)，NB-IoT屬于廣域網(wǎng)的通信技術(shù)，需要通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的基站網(wǎng)絡(luò)才能使用。因此后期的運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較高，但它不需要組網(wǎng)，可以直接和云平臺(tái)通信，NB-IoT在我們國(guó)家的支持下發(fā)展得更加迅速，且傳輸距離最大可達(dá)LoRa的二倍[3]。由于美國(guó)Semtech公司對(duì)于LoRa技術(shù)的壟斷使得對(duì)其技術(shù)和芯片的獲取可能并不穩(wěn)定。但NB-IoT技術(shù)在國(guó)內(nèi)則有著更多的技術(shù)支持。

1.2.3 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊采用L298N芯片，其屬于H橋集成電路，控制速度和位置十分精準(zhǔn)，效率和使用壽命高。該模塊具有過(guò)熱自斷和反饋檢測(cè)功能，輸入端可以直接與單片機(jī)相連，便于單片機(jī)控制。作為常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片，L298N也具有較高的性價(jià)比。

1.2.4 消毒模塊

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)衛(wèi)生安全的重視，對(duì)垃圾進(jìn)行及時(shí)消毒成為垃圾處理工作中必不可少的環(huán)節(jié)之一。為解決這一問(wèn)題，本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了消毒模塊。本模塊主要采用液體酒精和消毒液消毒，根據(jù)不同的垃圾類別還可在云端進(jìn)行不同類別的垃圾消毒設(shè)置。

1.2.5 垃圾打包模塊

垃圾打包模塊由兩個(gè)相同的可替換垃圾桶組成，當(dāng)正在使用的垃圾桶已滿后，紅外測(cè)距模塊會(huì)檢測(cè)到已滿信息并傳輸信息到主控芯片，主控芯片控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶將已滿垃圾桶退到桶外待運(yùn)輸區(qū)，等候回收車輛或機(jī)器人前來(lái)回收，而新的空桶將由電機(jī)驅(qū)動(dòng)向前補(bǔ)位。

2 軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別

本設(shè)計(jì)建立在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN基礎(chǔ)上，因?yàn)镃NN具有良好的特征提取性能，且模型的不斷訓(xùn)練也使得其識(shí)別精度愈發(fā)準(zhǔn)確[10]。經(jīng)過(guò)一系列卷積對(duì)應(yīng)相乘和求均值等卷積層和ReLU層操作后得到數(shù)量巨大的feature map，并進(jìn)入pooling池化層保留最大值增強(qiáng)模型的泛化能力；接著進(jìn)入全連接層對(duì)上一層的數(shù)據(jù)加權(quán)處理整合成一維向量，再通過(guò)回歸層對(duì)上一層得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理[4]。本設(shè)計(jì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)下載所需的測(cè)試集使其適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，按照9∶1的比例分成訓(xùn)練集和測(cè)試集。在測(cè)試次數(shù)達(dá)到上千次后基本滿足使用要求。

2.2 垃圾桶軟件基礎(chǔ)流程

垃圾桶軟件基礎(chǔ)流程如圖2所示。

圖2 垃圾桶軟件基礎(chǔ)流程

（1）用戶個(gè)性化數(shù)據(jù)

用戶通過(guò)手機(jī)APP與云端相連，前五次使用時(shí)，云平臺(tái)傳輸樹(shù)莓派慢速識(shí)別指令，將用戶投入垃圾與其在APP上所選擇的垃圾種類進(jìn)行比較，根據(jù)最后的比較數(shù)據(jù)進(jìn)行分?jǐn)?shù)的評(píng)比，逐次對(duì)用戶的分?jǐn)?shù)求平均值；在五次使用后根據(jù)分?jǐn)?shù)設(shè)定該用戶投入垃圾后進(jìn)行垃圾分類的速度，對(duì)于分類意識(shí)高，所投垃圾精準(zhǔn)，分?jǐn)?shù)高的用戶設(shè)定高速大概識(shí)別，對(duì)分?jǐn)?shù)低的用戶進(jìn)行低速單件認(rèn)真識(shí)別。繼續(xù)累加本次分?jǐn)?shù)求平均值并重新計(jì)算分?jǐn)?shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺(tái)統(tǒng)計(jì)。

（2）垃圾識(shí)別與分類

當(dāng)用戶在云平臺(tái)進(jìn)行垃圾類別選擇后開(kāi)啟對(duì)應(yīng)類別的垃圾桶蓋，用戶投入裝著許多對(duì)應(yīng)類別垃圾的垃圾袋或單個(gè)垃圾。利用圖像識(shí)別攝像頭逐次對(duì)垃圾進(jìn)行判斷，屬于本類別的落入本類的垃圾箱，不屬于本類別的垃圾進(jìn)入二次識(shí)別區(qū)，待到本次用戶操作后逐個(gè)進(jìn)行識(shí)別分類。

（3）回收路線計(jì)算

基于百度API構(gòu)建本區(qū)域的地圖以及垃圾桶的位置。通過(guò)云平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取本網(wǎng)絡(luò)中所有垃圾桶內(nèi)的垃圾量以及回收車的位置。計(jì)算垃圾量處于90%以上的GPS信息繪制路線傳送到回收車上的終端平臺(tái)，以便指引最佳路線。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)普通垃圾桶的改進(jìn)，大部分還僅針對(duì)某一模塊或某幾個(gè)方面，缺少一套完整的智能化系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的新型智能化垃圾網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅可以通過(guò)用戶的信息分析垃圾類別并打包、消毒，還可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一定范圍的垃圾桶網(wǎng)絡(luò)體系，在方便用戶的同時(shí)還能高效地完成垃圾分類回收。但由于其元器件的成本以及定期維護(hù)的費(fèi)用偏高，未來(lái)將從提高工作效率等方面來(lái)平衡其高成本的投入。