易分寶
——智慧城市自動分類垃圾桶系統(tǒng)設(shè)計

左露潔, 張 幔, 狄雨洋, 肖權(quán)珈, 劉冬陽, 李 碩

(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引言

當(dāng)前，垃圾分類制度在許多地區(qū)逐步推行，垃圾分類投放、收集、運(yùn)輸、處理系統(tǒng)逐步建立。但現(xiàn)階段我國垃圾分類主要依靠政府引導(dǎo)，存在垃圾種類繁多、居民參與度不高、設(shè)備不夠便捷創(chuàng)新等多方面的問題(圖1)。目前絕大部分地區(qū)仍采用普通垃圾桶組合的形式開展垃圾分類，隨著智能化時代的到來，人們對智能垃圾桶寄予更高期望。目前已提出的垃圾桶自動分類方案主要有：傳感器識別：早期的智能垃圾桶通過添置不同的傳感器，如金屬傳感器、紅外傳感器識別出金屬、塑料等特殊材質(zhì)的垃圾，但識別種類有限[1-2]；編寫深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要通過嵌入樹莓派識別：將樹莓派作為主控制器，利用

圖1 垃圾種類繁多，分類落實(shí)困難

相關(guān)模型和圖像算法，判斷圖像中垃圾類型[3-7]，但由于運(yùn)算不足，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型簡單，識別效果并不理想；語音識別：通過識別扔垃圾者口述待扔垃圾的名稱，指導(dǎo)扔垃圾者對可回收、廚余、有害和其他這四大類垃圾進(jìn)行正確的分類和投放[8-11]，但該系統(tǒng)高度依賴扔垃圾者的參與，且可能會因?yàn)槿永叩目谝簟⒎窖砸约捌胀ㄔ挼臉?biāo)準(zhǔn)度對垃圾識別的精準(zhǔn)度造成影響。

1 設(shè)計方案

智能垃圾分類處理系統(tǒng)——易分寶，在公園、校區(qū)或街道等一定區(qū)域內(nèi)均可使用。設(shè)計主要分為垃圾桶結(jié)構(gòu)的硬件部分以及后臺管理系統(tǒng)的軟件部分，其中硬件部分主要包括供電組件、分類裝置以及初步處理裝置，軟件部分主要是對該區(qū)域內(nèi)垃圾桶運(yùn)行的后臺管理與監(jiān)測。具體流程、結(jié)構(gòu)圖如圖2、3所示。

圖2 分類流程圖

圖3 易分寶結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件設(shè)計

1.1.1 供電組件

光伏組件供電系統(tǒng)主要由太陽能板、控制器以及蓄電池組成。考慮到我國太陽能資源分布差異，為提高太陽能板的工作效率，采用阻尼轉(zhuǎn)軸作為太陽能板與垃圾桶的連接，可調(diào)節(jié)太陽能板的傾斜角度，使之達(dá)到當(dāng)?shù)刈罴讶照战嵌龋粸槭菇Y(jié)構(gòu)緊湊，蓄電池放置在支架空心軸內(nèi)，并連接電板與用電元件，在桶底開有線路槽，供蓄電池的充電。

1.1.2 分類裝置

垃圾桶蓋自動開合裝置的主要部件為熱釋電傳感器和步進(jìn)電機(jī)。頂蓋上的顯示屏用于顯示識別及分類結(jié)果。當(dāng)行人走進(jìn)預(yù)先設(shè)置的閾值范圍內(nèi)，熱釋電傳感器響應(yīng)并向單片機(jī)發(fā)出信號，單片機(jī)接收信號后發(fā)出指令，觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作，使桶蓋向一側(cè)旋轉(zhuǎn)打開。當(dāng)行人遠(yuǎn)離時，熱釋電傳感器與步進(jìn)電機(jī)做出響應(yīng)控制桶蓋閉合。此過程中行人無需觸摸垃圾桶，有效避免細(xì)菌感染。

垃圾識別裝置主要由攝像頭模塊、單片機(jī)模塊以及遠(yuǎn)端后臺管理系統(tǒng)組成。攝像頭模塊放置在扇形識別筒內(nèi)用于獲取垃圾圖像，通過ATK-ESP8266 WIFI模塊傳輸給后臺管理員系統(tǒng)，內(nèi)壁的LED燈帶補(bǔ)充攝像頭獲取垃圾圖像時所需的光照強(qiáng)度，由繼電器控制開關(guān)，有效降低LED燈帶的能耗；后臺管理系統(tǒng)借助百度AI EasyDL平臺定制訓(xùn)練所得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對圖像進(jìn)行識別、分類，分類結(jié)果再通過ATK-ESP8266 WIFI模塊傳輸回單片機(jī)，完成垃圾的識別。

圖4 機(jī)械分類裝置

垃圾收納裝置主要由煙蒂耳盒、電池耳盒以及扇形垃圾桶組成。煙蒂耳盒與電池耳盒懸掛在識別筒兩側(cè)，用來單獨(dú)回收高污染的廢舊電池和有燃燒風(fēng)險的煙蒂，便于保潔人員回收；扇形垃圾桶采用合頁與支架相連，回收垃圾時只需拉動手柄即可將垃圾桶移出。

1.1.3 初步處理

對垃圾的初步處理方案包括活性炭包凈化空氣和雙層垃圾袋瀝水。活性碳包放置在鏤空的密封蓋與識別區(qū)之間，利用其對氣體分子的吸附性，實(shí)現(xiàn)垃圾桶內(nèi)部的空氣凈化。目前對于濕垃圾主要有兩種處理方法：廚余粉碎機(jī)和瀝水籃。清華大學(xué)張明武等人在蘇州市居民小區(qū)開展的試點(diǎn)工作表明，源頭瀝水措施的實(shí)施成本低廉，減量和提質(zhì)效果可觀[12]，因此易分寶采用雙層垃圾袋，實(shí)現(xiàn)對濕垃圾的瀝水減質(zhì)。如圖5所示，雙層垃圾袋內(nèi)層為細(xì)網(wǎng)狀，外層為底部有活塞的普通垃圾袋。管理人員在回收時只需要回收內(nèi)層垃圾袋，打開活塞排放外層垃圾袋積聚的污水，即可對濕垃圾進(jìn)行回收。

圖5 雙層垃圾袋

1.2 軟件設(shè)計

后臺管理系統(tǒng)使用Java語言編寫，界面如圖6所示。建立在圖像分類方面效果良好的ResNet遷移學(xué)習(xí)模型；以華為云人工智能大賽·垃圾分類挑戰(zhàn)杯的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，同時添加了Gary Thung 和Mindy Yang創(chuàng)建的垃圾圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)成了一個35類共12 811張圖片的數(shù)據(jù)集，對模型進(jìn)行訓(xùn)練及測試。

實(shí)物模型如圖7所示。模型底圓直徑350 mm，預(yù)計投入使用的垃圾桶底圓直徑為600 mm，整體高度為1 030 mm，占用空間約0.29 m3。

預(yù)期利用GPS芯片實(shí)時監(jiān)測垃圾桶所處的地理位置以及周圍環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)防盜的功能[13]；大規(guī)模的應(yīng)用時，可為該區(qū)域內(nèi)的每個垃圾桶編號，將編號與其地理位置信息存入數(shù)據(jù)庫，通過編號定位該垃圾桶的位置，從而降低綜合成本。

圖6 后臺管理系統(tǒng)界面

圖7 實(shí)物模型圖

當(dāng)垃圾桶內(nèi)所裝垃圾達(dá)到80%時，單片機(jī)接收傳感器的信號，反饋給后臺管理系統(tǒng)，通知管理人員及時清理；當(dāng)垃圾桶已滿而又暫無管理人員處理時，可以暫時停止運(yùn)行并在顯示屏上顯示相關(guān)的提示信息，提示行人使用附近的其他垃圾桶。

2 運(yùn)行狀況

利用百度EasyDL平臺以及已構(gòu)建的垃圾圖像數(shù)據(jù)集對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后在原數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取861張圖片對訓(xùn)練后的模型進(jìn)行測試。如圖8所示模型整體分類指標(biāo)：準(zhǔn)確率、精確率、召回率、F1 score的評估具體情況，在包含34個類別的情況下，準(zhǔn)確率達(dá)約89.0%。

圖8 模型整體評估圖

之后又實(shí)際測試了50件日常垃圾(如洗發(fā)水瓶、碎瓷碗、快遞包裝盒等)，識別結(jié)果全部正確，案例如圖9和圖10所示。其中，識別結(jié)果中第一個字母“k”表示可回收垃圾，“c”表示廚余垃圾，“q”表示其他垃圾，“h”表示有害垃圾，后面的字母為識別出的垃圾種類的拼音，如圖9中的“h_yao_wu”表示“有害垃圾：藥物”。

圖9 有害垃圾測試正確案例

圖10 可回收垃圾測試正確案例

使用的太陽能電板為540 mm×540 mm的40 W單晶太陽能板，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(輻射強(qiáng)度為1 kW/m2，組件溫度25 ℃，大氣質(zhì)量AM1.5)，工作電壓約為17.5 V，工作電流約為2.29 A。采用四節(jié)標(biāo)準(zhǔn)容量的3 400 mAh的松下18650充電鋰電池，該鋰電池實(shí)測的充滿電容量為3 480 mAh，初步計算得標(biāo)準(zhǔn)測試條件下6 h可以充滿。但由于實(shí)際的太陽照射情況大多達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)測試條件，實(shí)際的充電時間會更長。而使用的電子元件都為低功率元件，工作時的耗電約為8 W，因此光照條件良好時可以實(shí)現(xiàn)自主供電。控制裝置元件的工作性能如表1所示。

表1 控制裝置元件的工作電壓及電流

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種自動分類智能垃圾桶——易分寶，利用后臺管理系統(tǒng)與機(jī)械分類裝置結(jié)合實(shí)現(xiàn)垃圾分類存放，以期解決垃圾自動分類問題。運(yùn)行結(jié)果表明：①經(jīng)過大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，該系統(tǒng)識別垃圾準(zhǔn)確率達(dá)89.0%，而對日常垃圾的識別準(zhǔn)確率更高；②裝置可通過單片機(jī)控制機(jī)械分類裝置運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)垃圾正確分類存放；③光照條件良好時可以實(shí)現(xiàn)自主供電；④后臺管理系統(tǒng)可以監(jiān)測設(shè)定區(qū)域內(nèi)所有垃圾桶的工作狀況。