智能垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計

朱毅泓，郭常盈，蘇智宇

（南陽理工學(xué)院信息工程學(xué)院，南陽 473004）

0 引言

隨著人民生活水平的日益提高，垃圾的產(chǎn)生量也隨之增多，如果處理不好，將會對人們的居住環(huán)境帶來巨大的威脅［1］。垃圾分類是垃圾處理的基礎(chǔ)，需要全社會群眾的廣泛參與，由于大多數(shù)人在垃圾種類區(qū)分方面存在一定的困難，導(dǎo)致人工處理垃圾分類工作存在耗時較長、效果不理想以及影響工作人員健康等問題。于是各種智能垃圾分類系統(tǒng)應(yīng)運而生。目前不管基于深度學(xué)習(xí)算法還是應(yīng)用垃圾分類APP 進(jìn)行垃圾分類識別的，都沒有將智能垃圾分類和垃圾桶控制進(jìn)行有機結(jié)合，即識別后還需要人們手動打開對應(yīng)的垃圾桶蓋進(jìn)行垃圾投放。

為了解決這一系列問題，本文充分利用人工智能技術(shù)，基于深度學(xué)習(xí)理論構(gòu)建和訓(xùn)練垃圾分類模型，讓對垃圾分類規(guī)則不太熟悉的用戶輕松實現(xiàn)垃圾分類。并且根據(jù)垃圾識別結(jié)果，通過硬件控制電路打開對應(yīng)的垃圾桶蓋，使得用戶可以無接觸完成垃圾的精準(zhǔn)投放。

1 垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)垃圾分類的工藝流程，要求所設(shè)計的智能垃圾分類識別系統(tǒng)能夠通過攝像頭對垃圾拍照，上傳垃圾圖片后通過圖庫比對能夠快速、準(zhǔn)確地識別垃圾種類，并且根據(jù)識別結(jié)果啟動驅(qū)動控制，打開對應(yīng)垃圾桶蓋，使用戶能夠準(zhǔn)確地將垃圾投放到對應(yīng)的垃圾桶。當(dāng)然要想完成圖庫比對，事先還需要構(gòu)建和訓(xùn)練好垃圾分類模型。因此，所設(shè)計的智能垃圾分類識別系統(tǒng)必須具有以下幾個子模塊：垃圾分類模型的構(gòu)建與訓(xùn)練、攝像頭拍攝垃圾照片、圖庫對比分析、驅(qū)動控制等功能模塊。為了便于用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置和操作控制，需要設(shè)計一個圖形用戶界面，由上位機提供；其他的設(shè)備作為下位機，根據(jù)功能，這里設(shè)置兩個下位機。所以整個系統(tǒng)需要軟硬件相互結(jié)合、上下位機共同協(xié)作。其系統(tǒng)功能實現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)框圖

1.2 垃圾分類模型的構(gòu)建和訓(xùn)練

智能垃圾分類系統(tǒng)的核心是垃圾分類模型。在進(jìn)行垃圾分類模型的構(gòu)建與訓(xùn)練時，通過選取網(wǎng)絡(luò)圖片，收集大量垃圾圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。為了方便后續(xù)的訓(xùn)練以及保證數(shù)據(jù)集的特征具有一致性和有效性，需要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。所設(shè)計的數(shù)據(jù)集包含可回收物、廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾等4 個大類、245 個子類，約計8萬張圖片用于訓(xùn)練［2］。訓(xùn)練中對于數(shù)據(jù)集采用八二劃分方式，即訓(xùn)練集占據(jù)八份，測試集占據(jù)兩份。

基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別會由于數(shù)據(jù)量的局限性，導(dǎo)致模型提取特征有限，進(jìn)而影響識別的準(zhǔn)確度。目前，一種常用且非常高效的優(yōu)化方式便是使用預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型，將一個已在大型數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練好的模型作為基礎(chǔ)模型，在此基礎(chǔ)上對自己的數(shù)據(jù)集再進(jìn)行訓(xùn)練，即使新的數(shù)據(jù)集和原始數(shù)據(jù)集完全不同，也可以得到很好的特征提取。模型訓(xùn)練的流程如圖2所示。

圖2 模型訓(xùn)練的流程圖

因此，本文對于垃圾識別模型的構(gòu)建是基于TensorFlow2.3 實現(xiàn)的MobilenetV2 模型的遷移學(xué)習(xí)［3-4］。首先，通過tf.keras.applications 來加載MobilenetV2 模型，凍結(jié)主干的特征提取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；其次，為了保證每一批次訓(xùn)練的數(shù)據(jù)的分布一致，最終使得構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型容易收斂，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理；再次，全局平均池化和設(shè)置全連接層，以此來達(dá)到分類效果；最后，設(shè)置訓(xùn)練輪數(shù)，開始訓(xùn)練。訓(xùn)練完成后需要對模型進(jìn)行精度測試，測試要求采用與訓(xùn)練數(shù)據(jù)集不同的數(shù)據(jù)集，而且需要多輪精度測試。本文每一輪測試都是采用4001 張圖片進(jìn)行測試。最終測試結(jié)果表明，本次訓(xùn)練的模型的精度高達(dá)0.829，已經(jīng)達(dá)到預(yù)期要求。

1.3 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要包含兩塊主控芯片、舵機及用于連接的舵機拓展板等。遵循經(jīng)濟實用、已開發(fā)、易維護的設(shè)計理念，本文選擇ESP32-CAM、ESP8266-NodeMCU 作為下位機。ESP32 硬件平臺中的MCU 芯片可以獨立運行應(yīng)用程序，其主要載體可以通過SPI/SDIO 或12C/UART 接口提供Wi-Fi 或藍(lán)牙功能［5］。為了避免拍攝的圖片出現(xiàn)水紋，使用ESP32-CAM 時注意輸入電源至少要5V2A，其GPIO32 管腳控制攝像頭電源，當(dāng)攝像頭工作時應(yīng)當(dāng)把GPIO32 拉低。由于IO0 連接攝像頭XCLK，使用時也應(yīng)當(dāng)把IO0 懸空，不接高低電平。

若實現(xiàn)垃圾桶的自動開合，需要將舵機與垃圾桶進(jìn)行物理連接，本文舵機采用SG90。SG90 三根數(shù)據(jù)線：棕色線GND、紅色線VCC、黃色線SIG。四個垃圾桶需要四臺SG90 舵機，即有十二根線需要連接，這里通過加入舵機拓展板來解決線路復(fù)雜問題。舵機拓展板直接與SG90 舵機連接，則通過杜邦線與ESP8266-NodeMCU 進(jìn)行連接，以此來達(dá)到ESP8266-NodeMCU 控制多臺舵機的目的。同時，為了保證固定在舵機上的連桿能夠順暢地隨著舵機運動而運動，這里是將舵機通過膠水固定在垃圾桶內(nèi)部，并在垃圾桶背部開孔，將舵機的數(shù)據(jù)線牽引出去，方便與ESP8266-NodeMCU 的舵機拓展板進(jìn)行連接。將連桿與舵機組裝到一起，并通過計算PWM 得到實際舵機需要向上轉(zhuǎn)動的角度，舵機向上轉(zhuǎn)的同時帶動連桿，連桿頂開垃圾桶蓋。舵機復(fù)位后，在重力的作用下，垃圾桶蓋會自動回落，以此來達(dá)到自動開合垃圾桶的預(yù)期。

1.4 軟件設(shè)計

軟件部分包括用戶界面的構(gòu)建、對下位機1發(fā)送的視頻流進(jìn)行處理、使用訓(xùn)練好的模型完成垃圾分類、向下位機2發(fā)送相關(guān)操作指令。其中，前三個為前端程序，最后一個為后端程序。

前端程序設(shè)計，即上位機用戶界面應(yīng)用Qt Designer 與Python 制作而成，使用的IDE 是Pycharm。所設(shè)計的用戶主界面如圖3（a）所示，用戶可分別選擇攝像頭的開啟與關(guān)閉、實時顯示ESP32-CAM 拍攝到的視頻流、拍照并顯示拍照的內(nèi)容、對拍攝照片進(jìn)行識別等按鈕。當(dāng)用戶進(jìn)行識別操作后，將彈出用戶子界面，如圖3（b）所示。新界面會顯示用戶拍攝的照片、識別出來的垃圾種類、垃圾名稱以及一些簡短的相關(guān)介紹。此界面還有兩個按鈕，一個再次打開垃圾桶按鈕，是為了防止初次打開垃圾桶時用戶未將垃圾及時放入而設(shè)計的；另一個按鈕是返回按鈕，返回主界面。

圖3 用戶界面

后端程序設(shè)計除前面所講述的垃圾識別模型的構(gòu)建與訓(xùn)練之外，還有舵機轉(zhuǎn)動設(shè)計、上下位機之間的通信程序設(shè)計等。電路供電后，下位機ESP8266-NodeMCU 以及ESP32-CAM 調(diào)用自身的Wi-Fi 模塊，分別和上位機建立網(wǎng)絡(luò)通信，其Wi-Fi 模塊調(diào)用程序流程如圖4 所示。上位機和下位機之間的信息傳送，即為通過Wi-Fi模塊導(dǎo)入socket 庫，開啟UDP 套接字進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸通信，如圖5所示。

圖4 Wi-Fi模塊調(diào)用流程

圖5 UDP套接字

2 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

所設(shè)計的垃圾分類識別系統(tǒng)實物圖如圖6所示。

圖6 垃圾分類識別系統(tǒng)實物圖

將ESP8266-NodeMCU 與ESP32-CAM 中所要運行的程序改名為main.py，通過充電寶給ESP8266-NodeMCU 和ESP32-CAM 供電。打開手機熱點，電腦連接，以此保證上機位與下機位處于同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

運行上位機主程序，電腦端將出現(xiàn)用戶主界面。在此界面，點擊拍攝按鈕，所要識別的垃圾圖片逐一顯示在主界面窗口。再分別點擊識別按鈕，結(jié)果如圖7 所示。其中，圖7（a）垃圾是眼藥水，識別為有害垃圾；圖7（b）垃圾是豆子，識別為廚余垃圾；圖7（c）垃圾是回形針，識別為可回收物。對比垃圾實物，可知以上垃圾類型識別均正確。

圖7 垃圾類型識別結(jié)果

下位機ESP8266-NodeMCU 調(diào)用自身Wi-Fi模塊實現(xiàn)與電腦之間的通信。垃圾識別結(jié)果在用戶子界面上顯示，并將識別內(nèi)容通過Wi-Fi模塊發(fā)送相應(yīng)的消息給ESP8266-NodeMCU，ESP8266-NodeMCU 根據(jù)消息內(nèi)容控制相應(yīng)的舵機，并打開對應(yīng)的垃圾桶蓋。如圖8（a）所示，用戶主界面上顯示將要被識別的垃圾是泡沫板，泡沫板經(jīng)模型識別為可回收物垃圾，因此可回收物垃圾桶被打開，如圖8（b）所示。

圖8 根據(jù)識別結(jié)果相應(yīng)垃圾桶被打開效果圖

綜上測試，可以看出所設(shè)計的垃圾分類系統(tǒng)能夠正確地實現(xiàn)垃圾類型的識別和分類，完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用計算機視覺識別技術(shù)設(shè)計一個生活垃圾的智能分類系統(tǒng)。系統(tǒng)軟硬件相結(jié)合，計算機為上位機，提供圖形用戶界面。系統(tǒng)啟動后，ESP32-CAM 接收拍攝命令，調(diào)用自身的攝像頭和Wi-Fi模塊，對需要分類的垃圾進(jìn)行拍攝并通過Wi-Fi傳送至上位機。根據(jù)訓(xùn)練好的分類模型進(jìn)行圖庫比對，并將識別信息通過Wi-Fi傳送至ESP8266-NodeMCU，驅(qū)動控制相應(yīng)的SG90 舵機和垃圾桶蓋。測試表明所設(shè)計的系統(tǒng)完全可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)家庭生活垃圾的智能分類。所設(shè)計的系統(tǒng)具有兩點創(chuàng)新：第一，構(gòu)建包含各種生活垃圾圖像的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，通過不斷地選取、改進(jìn)分類模型算法以及反復(fù)精度測試從而獲取精確的分類模型，這是系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別類型的關(guān)鍵；第二，將智能垃圾分類和垃圾桶控制充分結(jié)合，通過識別信息驅(qū)動硬件控制電路，自動實現(xiàn)垃圾桶蓋的開合，使得用戶可以無接觸完成垃圾的精準(zhǔn)投放。