基于樹莓派的智慧校園智能垃圾分類箱設計＊

陳云江，石登峰，陶家鼎，王德超

（延邊大學工學院，吉林 延邊朝鮮族自治州 133002）

校園是人員密集度較高的場所，垃圾形成過程復雜、數量龐大，但高校產生的垃圾具有可回收性強的特點[1-2]。教育部2019 年召開的第四場教育發布會上介紹的2018 年教育事業發展有關情況數據顯示，全國共有初中院校約5.2 萬所，在校生約4 652.6 萬人；高中院校約2.44 萬所，在校生約3 931.2 萬人；普通高校院所約2 663 所，各種形式的高等教育在校生約3 833萬人。據此推斷，每年校園垃圾的產生量驚人，同時隨著國家對環境保護、垃圾分類和“智慧校園”藍圖的構建，掀起了研發適用于校園的智能垃圾分類裝置的熱潮[3]。

本文基于樹莓派設計了一種智能分類垃圾箱，主要針對高校產生的可回收垃圾（塑料瓶、易拉罐）及不可回收垃圾（果皮、瓜殼、電池）進行自動分類，并利用超聲波傳感控制技術實現自動行走和避障。綜上所述，該款智能垃圾箱智能化程度高、分揀效率高、不受空間限制，能為學校垃圾分類工作提供智能化服務。

1 智能分類箱整體設計

垃圾智能分類箱主要由箱體部分、圖像識別部分、機械分揀部分、垃圾收納部分和底盤部分組成。以樹莓派為平臺，搭載AⅠ智能識別模塊、精準分類模塊等實現垃圾智能化處理[4]。

1.1 箱體設計

垃圾智能分類箱外形整體設計為500 mm×500 mm×800 mm 的長方體，采用金屬鋁型材作為支撐機架，箱體外側采用PP 板（聚丙烯塑料板材）。4B型樹莓派（Raspberry Pi，RPi）智能分類垃圾箱主體部分分為上、中、下3 部分。上層為識別分類區，是垃圾的投放、識別、分類結構， 用于安置識別設備；中層為垃圾的儲存區，有2 類不同類別的垃圾收集箱，即可回收垃圾箱、不可回收垃圾箱（有害垃圾、生活垃圾），垃圾箱分為收放、供電設備等結構；下層為智能分類垃圾箱整體的移動與支撐結構。整體結構如圖1 所示。

圖1 垃圾智能分類箱概念結構

1.2 分類結構與識別設計

分類與識別為整個垃圾分類結構，由樹莓派搭載的AⅠ識別控制單元控制垃圾分類平臺進行分類、攝像和電機轉動。1 號電機為42 步進電機負責控制活頁式翻板1 機構的轉動，分別轉位±90°；2 號42 步進電機負責控制活頁式翻板2 機構的轉動，分別轉位±90°。當接收到攝像識別系統反饋指令后，2 號電機首先進行類別分別，將翻板轉至識別類型收集桶上停頓，再由1號電機帶動翻板機構轉動，使垃圾掉入指定的垃圾收集桶，停頓10 s 后，1 號電機、2 號電機同時啟動返回初始位置，等待再次進行分類。

1.3 分類儲存設計

中間部分為儲存結構，設有3 個回收桶，分別對應2 大類校園常見垃圾，第一類為可回收垃圾，例如礦泉水瓶、飲料瓶（鋁管、鐵管、塑料）、廢紙等可回收再利用塑料與鐵制品；第二類為不可回收垃圾，包含有害垃圾（電池）、生活垃圾（果皮、食品）和其他垃圾。垃圾桶上方為鏤空擋板，方便上方垃圾分類結構將垃圾投入下方對應垃圾桶。

1.4 控制與執行模塊設計

電控執行模塊以4B 型樹莓派為核心，搭配影像識別輸入模塊、輸出模塊、驅動模塊（DBD 控制板、42步進電機）構成整個執行系統，電源采用2 組10300MAH-24 V 鋰電池組供給。

樹莓派作為整個電控部分的核心部分，主要執行垃圾種類圖像采集處理與識別、執行命令輸出，將分類結果由樹莓派GPⅠO 口發出指令信號，通過DBD 控制板驅動1 號、2 號步進電機使其轉到制定位置。DBD控制模塊接線方法如圖2 所示。

圖2 DBD 電機驅動模塊接線方法

1.5 底盤設計

智能分類垃圾箱的移動及支撐主要由底盤系統實現，底盤系統主要由4 個57 型步進減速麥克納姆輪輪組與型材支架組成。由于麥克納姆輪結構和受力的特殊性，可通過控制每個輪組正反轉，實現整體垃圾箱在不同方向移動，并通過箱體外側面的超聲波測距傳感器功能，實現底盤自動行走和避障的功能[5-6]。底盤系統設計如圖3 所示。

圖3 底盤系統結構設計

2 工作原理與運行流程

采用4B 型樹莓派主要完成各個模塊之間數據的集成、處理與分析和傳遞，控制各個模塊有序地完成相應的功能指令，并控制相關電路完成所需的動作。垃圾類別圖像識別模塊的算法主要以卷積神經網絡算法為主[7]，輸出的垃圾分類信號轉化為電平輸送到GPⅠO 接口的繼電器、電機驅動器等控制單元，各部電機完成指定動作。分類單元執行命令框架如圖4 所示。

圖4 分類單元執行命令框架

智能分類垃圾箱實現智慧校園運行的流程如下：初始狀態時，紅外感應模塊檢測移動過程中的障礙，實現自我避障功能，同時還設有人體識別功能。例如在課間休息時間能根據移動人數多少實現某一僻靜位置靜止，同時根據卷積神經網絡訓練實現多頻率移動式追蹤功能，確保下課時人員攜帶的垃圾能及時被智能垃圾箱收集。當垃圾箱滿載時停止運動并將滿載和定位信息傳遞給保潔人員，若垃圾箱未滿則垃圾箱開始移動。當垃圾投擲者從遠處逐步靠近垃圾箱并超過超聲波測距模塊預設的下限范圍時，垃圾箱短暫停留。若有垃圾被扔進箱內，則通過AⅠ影像識別輸入模塊完成對垃圾的圖像數據采集后，樹莓派對垃圾類別進行判定，再通過機械控制執行模塊打開相應的垃圾箱蓋板，完成垃圾的自動分類并檢測垃圾箱的滿溢程度；若無垃圾被扔進箱內，則垃圾箱繼續移動。智能分類垃圾箱智慧校園工作流程如圖5 所示。

圖5 智能分類垃圾箱智慧校園工作流程

3 總結及展望

基于樹莓派為平臺的智能分類垃圾箱設計，不僅有效解決了校園內學生缺乏“垃圾分類”意識與舉措，同時為實現智慧校園構建時遇到的各類垃圾“減量化、資源化、無害化”處理提供了理論模型及方案設計，積極實現垃圾分類為社會帶來極大經濟效益，同時也是實現“變廢為寶”的一種科學管理方法。

本設計雖然能為智慧校園垃圾的綜合處理提供幫助，但也需要進行不斷改進，加入物聯、互聯技術，在應用基礎環境中深入研究技術，加大研究成果的轉化及推廣，真正意義上進行垃圾分類舉措的變革。