基于樹莓派下智能分類垃圾桶設計

段昆昕 江秋儀 陳鋒楠 楊家來 付 羿

（廣州城市理工學院，廣東 廣州 510800）

0 引言

隨著國民經濟的發展以及人們生活水平的提高，日常生活中產生的垃圾逐漸增多，由于環境逐漸惡化，因此通過垃圾分類管理最大限度地利用垃圾資源、減少垃圾處置量以及改善生存環境質量是當前世界各國共同關注的問題。根據相關文獻統計，我國生活垃圾年產量超過15×10t，并且城市垃圾以8%~10%的年增長率在不斷增多。目前，全國城市生活垃圾累計堆存量達到70×10t。根據住建部2020年初的統計，我國已經有237個城市啟動垃圾分類工作，垃圾分類已成為全民共識，各地都在積極推進垃圾分類工作。

目前，居民生活垃圾分類方式還是以人工自覺分類投放為主，現實中仍有很多居民還沒有養成垃圾分類的習慣，在垃圾分類的過程中，許多群眾對垃圾分類的標準和要求并不熟悉，存在垃圾分類效率低的問題。智能分類垃圾桶可以協助居民高效地進行垃圾分類，還可以在處理過程中利用掃描儀為居民提供知識反饋，方便居民學習垃圾分類的知識，從根本上提高分類的效率。因此，基于以上垃圾分類的市場痛點，該文設計了一款可自動開蓋、識別分類、處理效率高、輕便且成本低的智能分類垃圾桶。它主要采用圖像識別技術，樹莓派控制器通過攝像頭對桶內垃圾進行識別，并將分析所得信息反饋給Arduino控制器，控制器再對其他構件進行控制，從而完成垃圾分類的工作。

1 系統總體組成架構方案設計

1.1 外觀結構設計

圖1 垃圾桶整體結構解剖圖

1.2 系統硬件結構設計

該系統主要由樹莓派、Arduino、USB攝像頭、舵機、散熱風扇、太陽能板和其他傳感器組成，系統的硬件結構設計框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構組成框圖

樹莓派是整個智能垃圾桶的核心，主要負責處理由攝像頭采集的圖片。樹莓派與Arduino之間通過串口進行通信，樹莓派可以將分析的結果傳輸給Arduino，從而判斷圖像中的垃圾屬于哪一類別，再將結果反饋給Arduino并做出相應的響應。Arduino控制器主要負責接收樹莓派處理后的垃圾類別信息，給舵機輸出一個PWM信號驅動舵機轉動一定角度，使垃圾落到對應的桶內，再通過程序設定復位舵機，最終實現智能分類的目標。

智能垃圾桶中的傳感器主要包括攝像頭和紅外線傳感器。攝像頭使用的是USB攝像頭（高像素廣角攝像頭），能使識別區域更大、更清晰，從而精準地獲取垃圾物的圖像。紅外線傳感器的主要功能如下：當感應到人靠近智能垃圾桶時會將信號傳到Arduino中，從而驅動舵機打開垃圾桶的蓋板，并開啟箱體內的LED燈帶對垃圾物進行照明。

舵機和太陽能板主要用于動作執行部分，舵機主要采用PID制算法，舵機上電后，給它一個固定的脈沖，舵機就能帶動定軸撥板轉動到指定的位置，從而實現分類存放垃圾的目標。

1.3 主控制器

垃圾桶所采用的主控器是具有超高性能的樹莓派4B開發板，樹莓派是一種搭載Linux內核的單片微型計算機，應用廣泛，體積?。▋H為信用卡大小的微型電腦），是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內存硬盤，卡片主板周圍有4個USB接口和1個10/100以太網接口（A型沒有網口），可連接鍵盤、鼠標和網線，還包括視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口。

1.4 副控制器

該系統的副控制器與主控制器樹莓派進行通信連接，從而控制舵機和紅外線感應器。系統中所用的Arduino開發板型號為Nano-V3.0，具有12個數字輸入/輸出端口D2-D13和8個模擬輸入端口A0-A7；采用Atmel Atmega328P-AU單片機，支持USB下載及供電。

于是，韓素蘭說服14家合作社和17家家庭農場，希望成立一個聯合眾多農業經營主體的“聯合社”，實現互惠共贏、抱團發展?？墒牵珖袩o先例。2012年初，當她去工商部門注冊“聯合社”時，工商人員不敢給她注冊。最后，在省農委的協調下，幾經周折才注冊成功。

1.5 舵機

舵機與定軸撥板相連，當接收到分類信號時，旋轉撥板將垃圾投入對應的存儲箱體中。垃圾桶上使用的舵機接口規格為JP/FUTABA通用，扭矩為13 kg·cm，工作電壓范圍3.0 V~7.5 V，運行速度為53 r/min~62 r/min，在工作過程中主要負責帶動定軸撥板轉動和開啟（關閉）垃圾蓋。

1.6 USB攝像頭

垃圾桶上的攝像頭為高清智能自動對焦的USB攝像頭，可支持多種操作系統，采用150°廣角鏡頭，AD自動對焦，取景更精準，呈現的畫質也更高。

1.7 太陽能板

垃圾桶的太陽能板為多晶硅太陽能電池板（最大功率為10 Wp，轉換效率大于或等于20%，工作電壓為17.6 V，電池排片數量為36（4×9）片），它是垃圾桶的主要能量來源。

1.8 紅外傳感器

垃圾箱的紅外傳感器的工作電壓為3.3 V~5.0 V，以數字開關量的形式輸出。紅外傳感器感應到人接近垃圾桶后就給Arduino一個信號，Arduino做出響應，驅動其中1個舵機打開垃圾桶蓋（LED燈亮起）。

2 系統軟件設計

智能垃圾桶的軟件系統主要由圖像采集、圖像識別、云端數據同步決策以及旋轉擋板控制等系統共同組成。

2.1 圖像識別系統

圖像識別系統是該智能垃圾桶實現垃圾分類功能的核心功能以及核心技術。

垃圾桶分類流程以及垃圾物識別功能如下：當垃圾物投入桶內時，攝像頭會馬上拍下垃圾物的圖像，并將拍攝所得信息傳送到Arduino中，Arduino又將信息傳輸到智能垃圾桶的樹莓派中，樹莓派接收到信息后將其上傳至上層服務器中，并在已整合好的數據集中找到相同或類似的圖像信息，再負反饋到樹莓派中，樹莓派通過算法運算和轉換將圖像信息反饋到Arduino中，Arduino則驅動舵機對垃圾屋進行分類，進而將垃圾放置在所對應的箱體中。

而基于深度學習的圖像識別正是基于這樣的原理發展起來的一項技術。卷積神經網絡多層化處理主要以層級網絡的形式展開，并將輸入層、卷積層、池化層以及全連接層等各部分聯系在一起。構建神經網絡，通過編碼解碼結構的自我深度學習功能并融合圖像目標點檢測的識別研究和深度卷積網絡相關的記憶模型，從而完成信息提取和學習處理任務，識別原理如圖3所示。

圖3 垃圾桶的圖像識別系統原理

2.2 紅外感應開關

紅外感應器是一種能夠感應目標輻射的紅外線（在探測與感應系統中應用），因此將其作用于智能垃圾桶上。圖4為紅外感應開關的原理流程圖。當人體接近垃圾桶時，紅外感應器利用紅外線的物理性質進行測量，將信號發射到Arduino中，Arduino驅動舵機運作，將蓋板打開并啟動LED燈帶進行照明。在投入垃圾后，Arduino再次控制舵機閉合蓋板，為了降低能量消耗，要使LED燈帶和Arduino暫時休眠。

圖4 紅外感應開關原理

2.3 數據集

為了提高垃圾物的圖像識別率，需要從網絡以及日常生活中收集常見垃圾物素材，系統測試數據集中存放了114 700張以上的圖片。而數據集中又分為訓練集和驗證集，為了盡可能地提高圖像識別率，圖像會經過云服務計算中心約4 000次運算，在該情況下，垃圾桶的識別精度將高達85%。

2.4 云端同步系統

樹莓派通過攝像頭傳入的視頻流獲取單幀圖像并將其保存到本地文件中，實時更新圖像，通過通信系統傳輸到服務端，服務端識別并將信號返回給樹莓派。云端數據同步決策，基于Linux系統開發的可量產的大容量數據處理核心，通過數據云端同步系統實現數據共享的目標。當智能垃圾桶對垃圾物進行識別和分類時，服務端將大量的數據信號傳給樹莓派，從而完成決策工作。

2.5 Arduino軟件設計

系統啟動后對控制器外設進行初始化并導入云服務計算中心訓練數據模型。由Arduino控制器控制攝像頭拍照并利用數據模型進行分析和處理，確定拍攝物種類后由樹莓派開發板發送pwm信號給副控制器Arduino開發板，Arduino開發板接收處理過的垃圾類別信號并由該信號控制舵機帶動旋轉擋板將垃圾推入相應箱體內，從而實現垃圾自動分類的目標。

3 技術方案

根據仿生學原理，垃圾桶的識別功能是通過YOLO-R神經網絡算法實現的。通過雙目攝像頭采集圖像并回傳給樹莓派4B+平臺進行計算推演，獲取特征信息并編碼數據庫，以完成圖像實時訓練任務。

為了節約垃圾桶內計算平臺的成本，滿足新種類垃圾緊急預案的要求，使垃圾桶接入網絡，測試數據同步云端，實現信息掌控和一體化的目標。對同步到云數據庫中的數據進行整理、分類、打包和分析，使用深度學習技術標注社會中實時出現的屬于新類別的垃圾信息，可以在短時間內有效提高圖像識別的正確率。

通過大數據、問卷以及科學分析，服務平臺自動生成一套甚至多套解決方案，信息數據更新后將會以系統補丁更新的方式對已經投放在社會上的垃圾桶進行遠程OTA推送升級，實現無人化管理、自主決策、自動升級的具有自我學習能力的智能分類垃圾桶。

4 試驗結果

該項目測試中，樹莓派開發板程序主要在Python上實現編程運行，通過合理結合卷積神經網絡機械學習及軟硬件，智能分類垃圾桶可實現的功能如下。

4.1 自動開箱閉合

在感應到人體投放垃圾時，感應器帶動舵機運動實現開蓋動作，離開后閉合垃圾蓋，響應速度快，方便迅捷。

4.2 智能垃圾分類

當人們投入垃圾時，可以自動分辨垃圾所屬種類，并通過機械結構將垃圾自動歸納至相應垃圾箱體中。

4.3 太陽能自主供電

該裝置安裝了太陽能板，可以實現用電自給自足的目標，同時配備插頭以便室內或者在地鐵站、火車站等陰暗場所使用。

4.4 內置照明系統

垃圾桶內配備LED燈帶，可以提高垃圾識別準確率，為夜間環境或陰暗場所提供一定照明，方便使用者快速識別該產品，后期也可作為垃圾桶外廣告板光源。

4.5 外置屏顯

垃圾桶搭配了1塊LCD液態晶體顯示屏。結構簡單、節能環保且方便維護?？娠@示垃圾桶當前狀態，當正確識別垃圾后液晶屏將顯示垃圾類別，便于使用者了解垃圾類別。

4.6 語音播報

該裝置配備電子自動發聲讀音器，包括底殼體、底板、內置電路板、揚聲器、固定在電路板上的語音芯片和放大電路，其特征是放大電路采用運算放大集成塊，具結構簡單、使用方便以及讀音清晰的特點，可以為使用者提供垃圾分類的結果。

5 結語

隨著社會生活水平的提高，日常生活產生的垃圾急劇增多，垃圾處理不當帶來的生態環境惡化促使人類要重視環境保護，亟需對各種垃圾進行分類處理。該文對國內外垃圾分類現狀進行調研，設計了一款基于樹莓派開發板下的智能分類垃圾桶。垃圾桶通過卷積神經網絡學習和云服務計算中心運算，將垃圾分類的識別精度提高到85%，識別效果顯著。該產品具有輕攜化、環?；约爸悄芑奶攸c，可正常滿足家庭、咖啡廳以及會議室等場所的日常使用。產品設計遵循可持續性發展理念，可有效推動我國環保事業的發展。