基于交互體驗(yàn)的校園垃圾分類投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃梓清，譚偉健，陳水龍，夏 薇，趙其湛，洪遠(yuǎn)泉，周永明

（韶關(guān)學(xué)院 智能工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

0 引 言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能垃圾分類技術(shù)越來越受到人們的重視。目前，高校校園里大多使用的還是傳統(tǒng)的垃圾桶，只標(biāo)有可回收和不可回收標(biāo)記，無(wú)法評(píng)估學(xué)生垃圾分類投放的結(jié)果是否正確，影響高校校園垃圾分類的效果。因此，基于傳統(tǒng)垃圾桶的垃圾分類回收方式難以有效培養(yǎng)學(xué)生分類投放的意識(shí)和習(xí)慣。

針對(duì)校園垃圾分類投放存在的問題，本項(xiàng)目提出了一種基于交互體驗(yàn)的校園垃圾分類投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。學(xué)生通過人臉識(shí)別登錄系統(tǒng)，在系統(tǒng)裝置界面選擇所投放的垃圾類型并進(jìn)行投放。垃圾分類系統(tǒng)自動(dòng)判斷用戶投放的垃圾是否分類正確并給用戶獎(jiǎng)勵(lì)積分。用戶可以通過配套的用戶端小程序或者系統(tǒng)上的顯示屏查看自己投放的垃圾的類型以及相關(guān)的分類知識(shí)，讓大學(xué)生參與到垃圾分類的過程中，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生垃圾分類處理的習(xí)慣和意識(shí)。同時(shí)，環(huán)衛(wèi)工人可通過配套的APP檢查校園區(qū)域內(nèi)每一個(gè)垃圾投放點(diǎn)的垃圾桶剩余容量。系統(tǒng)高效自動(dòng)分類垃圾、環(huán)衛(wèi)工人及時(shí)回收整理溢出的垃圾，均對(duì)改善校園環(huán)境有積極的推進(jìn)作用。

1 總體設(shè)計(jì)

校園垃圾分類系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。用戶通過系統(tǒng)的人臉識(shí)別后，登錄系統(tǒng)，垃圾分類裝置投放口開啟，用戶可將垃圾放置在投放區(qū)；然后在交互界面對(duì)自己所投放的垃圾進(jìn)行初步分類。裝置檢測(cè)到垃圾投放后，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)用戶所進(jìn)行的操作進(jìn)行判別。用戶分類正確，則結(jié)合機(jī)械控制，分離垃圾到對(duì)應(yīng)的垃圾桶，并且將垃圾分類的信息保存在用戶端的賬號(hào)里，系統(tǒng)獎(jiǎng)勵(lì)積分到用戶的賬號(hào)中；若用戶分類不正確，則系統(tǒng)根據(jù)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行再次分類且投放，系統(tǒng)也會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)較少的積分給用戶。用戶可以通過微信小程序查看自己的垃圾分類信息以及獲取的積分等情況；管理員采用系統(tǒng)配套的APP查看學(xué)校每個(gè)垃圾分類投放點(diǎn)的情況，如果垃圾即將溢出，系統(tǒng)可以推送信息提醒管理員及時(shí)處理，提高垃圾處理的工作效率。

圖1 垃圾分類系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 核心主控板

系統(tǒng)選用STM32和Jetson Nano雙主控作為核心控制。STM32為嵌入式控制處理器，處理信息速度快，外圍接口豐富，運(yùn)行功耗低。Jetson Nano采用四核64位ARM CPU和128核集成的NVDIA GPU，具有靈活的軟件和完整的框架支持，為各種復(fù)雜的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提供實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)視覺和推理。系統(tǒng)采用STM32實(shí)現(xiàn)各類外設(shè)模塊控制和數(shù)據(jù)檢測(cè)，采用Jetson Nano執(zhí)行人臉識(shí)別和垃圾智能分類算法。兩者相互配合，有效執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)。

2.2 模塊化驅(qū)動(dòng)

本系統(tǒng)中的硬件模塊級(jí)聯(lián)如圖2所示。

圖2 硬件模塊級(jí)聯(lián)圖

顯示模塊采用一款7寸的OLCD顯示屏，嵌入裝置運(yùn)行設(shè)計(jì)的QT交互界面中，用來顯示登錄信息、積分情況以及垃圾分類的信息等。

系統(tǒng)的人臉識(shí)別和垃圾識(shí)別部分采用雙攝像頭模塊構(gòu)成。Pixy CMUcam5 Sensor雙目高清攝像頭配合人臉識(shí)別算法可以準(zhǔn)確識(shí)別用戶的人臉信息，特定的人臉識(shí)別庫(kù)可以采集并保存用戶的信息，盡量避免識(shí)別失敗的情況發(fā)生；廣角夜視攝像頭配合特定的垃圾識(shí)別算法，將各個(gè)特征與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，從而確定所識(shí)別垃圾的具體類別。

熱成像模塊采用的是AMG8833模塊，能夠有效識(shí)別出系統(tǒng)周邊環(huán)境的熱度變化，并通過數(shù)據(jù)反饋以及與其他輔助部分進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，使系統(tǒng)能有效地分析出垃圾桶內(nèi)的溫度是否處于正常范圍內(nèi)。

超聲波模塊US-100是一種帶溫度補(bǔ)償?shù)碾p模式超聲波傳感器。若感應(yīng)到的溫度與檢測(cè)到的距離出現(xiàn)誤差，超聲波模塊會(huì)對(duì)測(cè)到的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)準(zhǔn)，具有很高的靈敏度，用于檢測(cè)垃圾的滿溢狀況。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用TB6612。TB6612為直流電機(jī)雙驅(qū)動(dòng)模塊，具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，效率遠(yuǎn)高于晶體管H橋驅(qū)動(dòng)器。

3 交互體驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 微信小程序

針對(duì)學(xué)生端，為了提高交互體驗(yàn)感，設(shè)計(jì)一款微信小程序。小程序以HUAWEI P40屏幕尺寸為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以微信開發(fā)工具為前端開發(fā)工具，采用手機(jī)端和PC端開發(fā)工具進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，使用WXML文件搭載頁(yè)面的基礎(chǔ)視圖結(jié)構(gòu)，使用WXSS文件控制頁(yè)面的展示式樣。通過接入云服務(wù)器，利用微信小程序端功能操作控制與垃圾分類系統(tǒng)中的相關(guān)PI接口就可以實(shí)時(shí)通信。機(jī)智云作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的開源云服務(wù)供應(yīng)商，可提供高效穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)端服務(wù)。學(xué)生用戶只需通過常用的微信小程序即可與系統(tǒng)交互通信，查看個(gè)人的登錄信息和個(gè)人垃圾分類獲得的積分。小程序界面如圖3所示。

中晚熟品種在2月20日至3月10日生產(chǎn)菌段。早熟品種要在3月1～20日生產(chǎn)菌段。由于長(zhǎng)白山區(qū)冬季氣候比較寒冷，所以菌段要提前發(fā)酵，利于菌絲吃透木料和后熟，并有利于把生長(zhǎng)弱或感染雜菌的菌段挑出來，回鍋重新滅菌接種，降低壞菌段的數(shù)量，提高菌材利用率，為當(dāng)年增收打下良好基礎(chǔ)。

圖3 微信小程序界面

3.2 管理端APP

針對(duì)環(huán)衛(wèi)工人等管理員，設(shè)計(jì)一款與系統(tǒng)配套的管理端APP。采用混合式Hybrid類型進(jìn)行開發(fā)；選取Xcode作為開發(fā)工具，搭載SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)開發(fā)調(diào)試，通過關(guān)聯(lián)SQLite就能夠使用SQLite開源數(shù)據(jù)庫(kù)，節(jié)省了很多配置環(huán)境變量的繁瑣步驟。管理端APP與主控板之間通過WiFi進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，通過8個(gè)字節(jié)的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)手機(jī)管理端APP和交互界面端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳。通過APP的功能模塊可實(shí)時(shí)追蹤查看學(xué)校各個(gè)垃圾投放點(diǎn)的垃圾桶容量情況。如果垃圾桶的垃圾將要溢出，系統(tǒng)會(huì)通過管理端APP發(fā)送數(shù)據(jù)提醒管理員，讓管理員及時(shí)清理。APP界面如圖4所示。

圖4 管理端APP界面

3.3 QT交互界面

為了提高用戶的交互體驗(yàn)感，采用跨平臺(tái)性好、可移植性高的GUI圖形編程設(shè)計(jì)開發(fā)軟件QT以及Visual Studio共同開發(fā)。鑒于常見的GUI圖形編程界面設(shè)計(jì)開發(fā)軟件有H5、MFC以及QT等，并且基于跨平臺(tái)性以及運(yùn)作效率的考慮，以Visual Studio搭載QT環(huán)境的方式采用高效編程語(yǔ)言C++為該項(xiàng)目進(jìn)行界面設(shè)計(jì)開發(fā)。通過關(guān)聯(lián)庫(kù)，QT對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)和采集的垃圾分類信息進(jìn)行處理，借助QT SQL等模塊對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)API通信實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的應(yīng)用和共同編譯。QT交互界面如圖5所示。

圖5 QT交互界面

4 垃圾分類回收裝置模型

裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。垃圾分類系統(tǒng)使用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，配有太陽(yáng)能電池板充電系統(tǒng)，具有以下功能和特點(diǎn)：①內(nèi)部有一個(gè)大容量?jī)?chǔ)電設(shè)備，可通過自備的儲(chǔ)電系統(tǒng)自給供電，即使垃圾桶在長(zhǎng)時(shí)間未充電狀態(tài)下依然能夠正常使用；②是投放垃圾的窗口，可以自動(dòng)翻蓋；③是裝置內(nèi)設(shè)計(jì)的一個(gè)分類結(jié)構(gòu)，選用推桿式結(jié)構(gòu)；④是裝置內(nèi)設(shè)計(jì)的微型傳送帶，用于移動(dòng)垃圾；⑤是分類垃圾桶；⑥是顯示屏。結(jié)合傳統(tǒng)垃圾桶，由機(jī)械控制部分及人臉識(shí)別算法和垃圾分類算法，構(gòu)成本系統(tǒng)中的垃圾分類裝置。

圖6 分類裝置結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)通過人工智能技術(shù)促進(jìn)垃圾分類回收技術(shù)的發(fā)展，通過積分獎(jiǎng)勵(lì)刺激方式可以有效培養(yǎng)大學(xué)生垃圾分類意識(shí)，在一定程度上減輕了環(huán)衛(wèi)工人的工作負(fù)擔(dān)，提升校園垃圾分類回收效果。垃圾自動(dòng)分類回收可以避免垃圾交叉感染，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)垃圾循環(huán)使用，具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。