智能分類(lèi)垃圾桶

上海工程技術(shù)大學(xué) 李 斐 陳芃均 侯麗萍

1 研究背景

早在2004年中國(guó)就已經(jīng)超越美國(guó)成為世界第一垃圾制造大國(guó)，而且中國(guó)目前全國(guó)生活垃圾年產(chǎn)量為4億噸左右，并以大約每年8%的速度遞增。面對(duì)垃圾污染，人們也采取了衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥等無(wú)害化處理，但其中部分方法仍會(huì)造成環(huán)境污染（例如：焚燒、填埋）。近年來(lái)，垃圾提倡分類(lèi)投放，分類(lèi)處理，垃圾分類(lèi)有一下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：第一、去掉可回收的、不易降解的物質(zhì)，減少垃圾數(shù)量60%以上，減少占土。第二、分出有害垃圾，減少污染。第三、可回收垃圾可變廢為寶。第四、減少?gòu)U塑料被動(dòng)物誤食的風(fēng)險(xiǎn)。

處理垃圾污染迫在眉睫，如今我國(guó)多數(shù)城市已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施垃圾分類(lèi)政策，而由于相關(guān)知識(shí)的普及難免不夠全面，垃圾桶內(nèi)總有垃圾錯(cuò)誤投放的事情發(fā)生，所以為提高垃圾投放的正確率，本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)一款智能分類(lèi)垃圾桶。

智能分類(lèi)垃圾桶的種類(lèi)有很多，目前比較常見(jiàn)的智能分類(lèi)垃圾桶有以下幾種：

（1）智能垃圾分類(lèi)亭（見(jiàn)圖1）

圖1 智能垃圾分類(lèi)亭

這種分類(lèi)亭一般放在社區(qū)，有專(zhuān)門(mén)的人員進(jìn)行監(jiān)督管理。它通過(guò)投放人員輸入所帶垃圾的名稱(chēng)打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶來(lái)進(jìn)行垃圾分類(lèi)。

（2）基于云端的分類(lèi)垃圾桶（見(jiàn)圖2）

圖2 基于云端的分類(lèi)垃圾桶

目前這種垃圾桶形式比較多，但考慮到其基于云端，所以后面的普及工作將不會(huì)很順利。

為響應(yīng)垃圾分類(lèi)政策，智能分類(lèi)垃圾桶的開(kāi)發(fā)在近年來(lái)熱度比較高，但目前所見(jiàn)的智能分類(lèi)垃圾桶大致為上面兩種，但這兩種在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題。例如，智能化程度不夠高，這主要針對(duì)第一類(lèi)垃圾桶，它的智能分類(lèi)能力主要體現(xiàn)在，可以根據(jù)投放者所說(shuō)的垃圾打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶。但如無(wú)人監(jiān)督，投放者可以將各種不同垃圾投放到同一個(gè)垃圾桶中，這并不能達(dá)到分類(lèi)的目的，況且，這種垃圾桶由于體積的問(wèn)題，將其安放在街邊是不現(xiàn)實(shí)的；第二類(lèi)垃圾桶符合當(dāng)今萬(wàn)物互聯(lián)的理念，并且借助互聯(lián)網(wǎng)可以較第一類(lèi)垃圾桶更為智能地實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)。而這類(lèi)垃圾桶由于互聯(lián)網(wǎng)而方便，同時(shí)也受到互聯(lián)網(wǎng)的牽制，從而導(dǎo)致其在普及方面存在困難。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖3）

圖3 總體設(shè)計(jì)方案

2.2 硬件方案

（1）主體結(jié)構(gòu)

該垃圾桶內(nèi)有四個(gè)分類(lèi)艙：可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾、干垃圾。其中由于有害垃圾在日常生活中的產(chǎn)量比較少所以將該智能垃圾桶的電源部分、控制芯片部分放在有害垃圾艙下部的分艙里（如圖4所示）。在垃圾通的上部是用來(lái)分類(lèi)的分類(lèi)盤(pán)。當(dāng)下位機(jī)接收到上位機(jī)的分類(lèi)結(jié)果后，分類(lèi)盤(pán)將在下位機(jī)的作用下完成分類(lèi)，設(shè)計(jì)好的垃圾桶模型如圖5所示。

圖4 有害垃圾艙的布局

圖5 垃圾桶模型

（2）分類(lèi)盤(pán)結(jié)構(gòu)

基于模型的分類(lèi)盤(pán)設(shè)計(jì)是直徑為200mm的圓形結(jié)構(gòu)，將該圓形的1/4扇形設(shè)置為可動(dòng)底部（下文中稱(chēng)該可動(dòng)底部為擋板），擋板可以在舵機(jī)的帶動(dòng)下開(kāi)合，從而實(shí)現(xiàn)將分類(lèi)盤(pán)中的垃圾丟入垃圾桶中的目的（分類(lèi)盤(pán)的3D模型見(jiàn)圖6）。

圖6 分類(lèi)盤(pán)的3D模型

（3）垃圾分類(lèi)的機(jī)械設(shè)計(jì)

該垃圾桶（模型）分類(lèi)的主要機(jī)械部分由17HS4401步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)和連桿構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)的作用是將分類(lèi)盤(pán)的1/4空缺部分定位到將要投擲當(dāng)前盤(pán)中垃圾的垃圾艙上方。當(dāng)電機(jī)完成定位后，由舵機(jī)拉動(dòng)連桿，再由連桿控制擋板開(kāi)合使得垃圾掉入對(duì)應(yīng)垃圾艙內(nèi)，該部分的3D模型見(jiàn)圖7。

圖7 分類(lèi)機(jī)械設(shè)計(jì)

2.3 軟件方案

（1）識(shí)別模塊

本產(chǎn)品的識(shí)別部分是由YOLO v4視覺(jué)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，識(shí)別功能屬于該產(chǎn)品的上位機(jī)功能，所以被部署于Raspberry pi上。YOLO v4屬于深度學(xué)習(xí)的一種，所以其識(shí)別需要基于相應(yīng)的訓(xùn)練集才能完成。我們的訓(xùn)練集是生活中各種常見(jiàn)的生活垃圾，這些垃圾的圖片可以通過(guò)python進(jìn)行網(wǎng)上爬取。得到爬取到的照片后利用LabelImg軟件對(duì)圖片打標(biāo)簽，從而生成算法可以識(shí)別的.xml文件。將生成好的.xml文件導(dǎo)入算法進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)loss值十分低時(shí)即可利用對(duì)應(yīng)的模型進(jìn)行識(shí)別。訓(xùn)練好的模型對(duì)主程序提供一個(gè)接口，方便后期的維護(hù)和部署。

（2）滿檢模塊

為了顯示垃圾桶的滿載情況，該產(chǎn)品利用VL53L1X激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)了垃圾桶的滿檢模塊。該模塊采用IIC通訊，將此模塊部署于垃圾桶的擋板下部。當(dāng)垃圾完成投放后，由Arduino控制的激光測(cè)距模塊對(duì)相應(yīng)的垃圾艙經(jīng)行測(cè)距，利用得到的測(cè)距結(jié)果與空垃圾艙進(jìn)行比值計(jì)算即可得到當(dāng)前垃圾艙的滿載量。Arduino將計(jì)算出的滿載量上傳到Raspberry pi中，最終將由顯示屏將每個(gè)艙的當(dāng)前滿載量顯示給客戶。

（3）機(jī)械控制模塊

主要的機(jī)械控制模塊由下位機(jī)Arduino控制電機(jī)和舵機(jī)完成。所控制的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為1.8°，即一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)1.8°的角。為了增加電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，外部采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將步進(jìn)角進(jìn)行細(xì)分，當(dāng)細(xì)分值為8時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性已經(jīng)滿足要求。利用Arduino的P13腳來(lái)進(jìn)行產(chǎn)生脈沖，所有產(chǎn)生的脈沖數(shù)量由上位機(jī)產(chǎn)生的垃圾分類(lèi)結(jié)果決定，具體的決定方式：例如，有害垃圾需要轉(zhuǎn)的角度為90°（轉(zhuǎn)角方向由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊DIR腳的高低電平?jīng)Q定，該腳的高低電平由P12腳提供），這可以通過(guò)程序中的公式Num=angle*8/1.8來(lái)獲得所需要產(chǎn)生的脈沖數(shù)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置后，利用Arduino自身的Servo庫(kù)產(chǎn)生90°對(duì)應(yīng)的PWM，此時(shí)即可以控制擋板的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)垃圾的投擲。

結(jié)束語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)了一種占用空間小（方便普及，但可以通過(guò)需求來(lái)調(diào)整垃圾桶體積）、無(wú)人操作的智能分類(lèi)垃圾桶設(shè)備。該設(shè)備通過(guò)單片機(jī)、樹(shù)莓派和深度學(xué)習(xí)來(lái)完成垃圾分類(lèi)工作。由于基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)是事先訓(xùn)練好的，所以在后面垃圾桶識(shí)別過(guò)程中不需要用到網(wǎng)絡(luò)，這種設(shè)計(jì)主要是針對(duì)上面提到的第二類(lèi)垃圾桶由于依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)而普及困難的問(wèn)題提出的。另外由于它的分類(lèi)不需要人員監(jiān)督，可以在一定程度上節(jié)省實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)的人力。這種垃圾桶的實(shí)現(xiàn)將具有推動(dòng)垃圾分類(lèi)政策普及和提高分類(lèi)正確率的實(shí)際價(jià)值。