基于智能識別技術的智能垃圾分類桶設計

陳 陳，張 旭，李逸軒，聶 陽

（1.揚州工業職業技術學院信息工程學院，江蘇 揚州 225127；2.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

中國大力推行垃圾分類的政策，以解決當下的“垃圾圍城”的現狀[1]，本文設計的產品就是在這種背景下產生的。智能垃圾分類桶是實現垃圾減量化和資源化的重要途徑和手段，能有效地推進城市環境的改善，促進資源實現最大化利用。本文中設計產品是基于百度云平臺的智能識別技術開發設計的一款智能垃圾分類桶。該智能垃圾分類桶是一款集合了云平臺技術、智能識別技術、物聯網于一體的高科技新產品，實用性高。它可以精準識別圖像、語音等信號，識別準確率高。在功能上，它不僅可以進行垃圾分類，還可以通過微信小程序進行垃圾分類科普知識的學習。

智能垃圾分類桶硬件部分主要通過控制電路、無線通信電路、舵機等硬件進行實現。智能識別通過圖像識別和語音識別技術遠程控制垃圾桶的開合。

1 系統總體設計

本項目旨在設計一款“互聯網+”時代的智能垃圾分類桶。通過百度AI平臺中的識別API接口進行智能識別，匹配數據庫中數據后發送命令控制舵機打開垃圾桶；實現硬件組件與微信小程序、微信小程序與百度AI平臺的通信功能；設計微信小程序，實現垃圾桶的遠程控制。整個系統的功能結構如圖1所示，智能垃圾分類桶的工作流程如圖2所示。

圖1 智能垃圾分類桶系統圖

圖2 智能垃圾分類桶工作流程圖

硬件模塊主要由控制電路、舵機、測距傳感器等組成。將百度AI智能識別的結果通過無線通信模塊傳給控制電路，控制電路控制舵機開合；測距傳感器實時監測垃圾進行溢滿報警，并通過無線通信模塊上傳到小程序。

通信模塊主要由垃圾桶硬件通信模塊、無線通信模塊2部分組成。垃圾桶硬件各種元器件間采用socket通信協議進行通信；硬件平臺與微信小程序、云服務器與微信小程序間采用http通信協議進行通信。

遠程控制模塊主要通過微信小程序頁面遠程控制舵機。由無線通信模塊傳遞連接信息給控制電路，由控制電路控制舵機開合。

智能識別模塊主要通過微信小程序頁面識別垃圾并分類。通過百度AI平臺進行視覺和語音識別，與云數據庫比對后識別出垃圾類別后遠程控制舵機開合。

2 硬件模塊設計

基于前期的社會調研，充分考慮智能垃圾分類桶的性能和價格，選用ESP8266 WIFI模塊[2]、HY-SRF05測距傳感器[3]和輝盛（TowerPro）小型舵機/SG90舵機[4]、控制電路等組成硬件系統。如圖3所示。

圖3 智能垃圾桶硬件模塊測試

為了實現智能識別，通過百度AI開放平臺中的識別API生成文本，與云數據庫數據進行匹配，形成具體垃圾類別，并將結果通過ESP8266 WIFI無線通信模塊返回給控制模塊，控制舵機開合，完成智能垃圾分類。

為了實現溢滿監控，HY-SRF05測距傳感器會計算垃圾平面和傳感器位置的垂直距離，垃圾投放量超過安全閾值后，主控制電路會發出蜂鳴聲警告，禁止垃圾桶開蓋。同時垃圾實時數據將同步到微信小程序，以便用戶及時處理溢滿垃圾。

硬件模塊測試成功后，考慮合作企業的需求，選取塑料材質作為垃圾桶的外包主體材料，采用長方形聯排式結構。在垃圾桶開合蓋處放入舵機、測距傳感器，在垃圾桶背面放入主控電路。通過3D MAX三維動畫渲染和制作軟件進行垃圾桶建模渲染，其效果圖如圖4所示。

圖4 智能垃圾分類桶三維效果圖

3 通信模塊設計

測距傳感器將測距信息預處理后由socket客戶端通過socket通信協議通知socket服務端發送成功，socket服務端將測距信息發送到微信小程序上，實現溢滿監測。

用戶小程序通過http協議與百度AI平臺連接，將百度API智能識別的結果與分類數據庫比對，得出垃圾類別后通過http協議傳遞給控制電路，從而實現智能控制。系統通信結構如圖5所示。

圖5 系統通信結構

4 軟件模塊設計

此子系統上位機軟件主要實現遠程控制和智能識別模塊。

遠程控制模塊主要由連接設備和垃圾桶控制兩大功能組成。連接設備功能可以實現小程序與硬件模塊的連接；垃圾桶控制功能可以實現具體分類垃圾桶的遠程開合，如圖6所示。

圖6 遠程控制頁面

智能識別模塊主要由視覺識別、語音識別以及文字識別功能組成。視覺識別功能是調用百度圖像識別API將圖片（可以隨手拍，也可以在相冊里選擇）識別成文字，和云數據庫比對后得出相應的垃圾類別顯示在頁面上，確認無誤后點擊垃圾類別文字進行遠程控制舵機開合。語音識別功能就是調用百度語音識別API識別成文字后進行云數據庫比對得出垃圾類別后控制開合，文字識別功能就是直接和云數據庫比對后控制開合，如圖7所示。

圖7 智能識別頁面

5 軟件測試

完成軟件模塊后進行系統測試，首先進行文字識別測試，通過在文本框輸入相關文字，識別出垃圾的分類信息。通過精確查找和模糊查找，測試小程序文字搜索的數據準確性。接著，進行智能識別測試，點擊“語音識別”圓形按鈕，進行語音輸入后接入百度API接口進入語音識別，將識別文字顯示在文本框，通過數據庫比對返回分類信息。點擊“圖像識別”圓形按鈕，打開攝像頭進行拍照，將拍照后的照片接入百度API接口進入圖像識別，數據庫比對后返回查詢結果。根據測試情況顯示，智能垃圾分類桶基本滿足使用要求。智能識別測試如圖8所示。

圖8 智能識別測試

6 結論

本文基于智能識別技術設計的智能垃圾分類桶采用了先進的微電腦控制芯片、無線通信電路、測距傳感檢測裝置，是一款集視覺識別、語音識別、物聯網技術于一體的高科技產品。它是一款科學技術輔助垃圾分類的產品，不僅可以有效提高垃圾分類效率和正確率，還能通過微信小程序進行科普宣傳，從而引導大眾樹立垃圾分類的意識。