郭昌鑫，陳公興

基于深度學(xué)習(xí)的智能垃圾桶識(shí)別分類系統(tǒng)＊

郭昌鑫，陳公興

（廣東技術(shù)師范大學(xué)天河學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510540）

垃圾分類引領(lǐng)綠色生活新時(shí)尚，為使傳統(tǒng)垃圾桶更加人性化、智能化，提出了基于深度學(xué)習(xí)的智能垃圾桶分類識(shí)別系統(tǒng)。通過樹莓派控制攝像頭讀取當(dāng)前環(huán)境，采用OpenCV進(jìn)行圖像處理，并加載TensorFlow訓(xùn)練的CNN垃圾識(shí)別分類算法進(jìn)行識(shí)別分類，最后由STM32單片機(jī)控制垃圾桶開蓋，同時(shí)系統(tǒng)還支持語(yǔ)音識(shí)別分類、人體紅外感應(yīng)開蓋、溫濕度檢測(cè)等。通過測(cè)試，系統(tǒng)功能穩(wěn)定，其誤差較低，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

垃圾分類；深度學(xué)習(xí)；毒氣報(bào)警；自動(dòng)開蓋

1 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展和人類物質(zhì)水平的提高，人們?cè)絹碓街匾曋苓叚h(huán)境衛(wèi)生及可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)今，中國(guó)最大的垃圾填埋場(chǎng)快裝滿了，人們對(duì)于垃圾的投放處理問題也越來越關(guān)注[1]，而生活中產(chǎn)生的大部分垃圾沒有分類就被丟到垃圾桶，垃圾以越來越快的速度增長(zhǎng)，人們不得不打起精神準(zhǔn)備一場(chǎng)持久戰(zhàn)——焚燒垃圾，這也是一些發(fā)達(dá)國(guó)家的主流方式。但焚燒不是終點(diǎn)，人類必須尋找新的方式對(duì)付自己親手制造的敵人，這就需要進(jìn)行科學(xué)的垃圾回收再利用[2]，因此分類垃圾桶在人們的生活中是不可或缺的，它的應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛，大至公園景區(qū)車站，小至餐廳家庭宿舍，對(duì)國(guó)家實(shí)行可持續(xù)綠色發(fā)展有著極其重要的意義。

目前，智能垃圾桶制造行業(yè)不斷發(fā)展與成熟，但其系統(tǒng)一般只具備自動(dòng)開關(guān)蓋、智能語(yǔ)音提示功能，無(wú)法滿足現(xiàn)代人的需要。然而垃圾分類的效果對(duì)環(huán)境治理和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都同時(shí)產(chǎn)生直接影響，所以垃圾桶自動(dòng)識(shí)別分類的人性化設(shè)計(jì)使其具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要以搭載TensorFlow訓(xùn)練的CNN垃圾識(shí)別分類算法的樹莓派和語(yǔ)音識(shí)別模塊作為主要的垃圾識(shí)別部件，采用STM32單片機(jī)作為微控制器，并外加紅外和觸摸模塊輔助感應(yīng)垃圾桶開蓋，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

當(dāng)樹莓派識(shí)別垃圾并自動(dòng)分類（四類垃圾）后由STM32驅(qū)動(dòng)舵機(jī)打開相應(yīng)蓋子，同時(shí)驅(qū)動(dòng)彩燈照亮桶內(nèi)情況，系統(tǒng)還應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控垃圾桶內(nèi)外情況，此外還有人體感應(yīng)開蓋、桶滿提示和毒氣報(bào)警功能。

3 硬件結(jié)構(gòu)

3.1 樹莓派RPI

本系統(tǒng)主要的分類識(shí)別部件是樹莓派（簡(jiǎn)稱RPI），它本質(zhì)上是一個(gè)只有信用卡大小的基于ARM的微型計(jì)算機(jī)，以MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，自帶Wi-Fi和藍(lán)牙模塊，可運(yùn)行Linux系統(tǒng)與Windows IoT系統(tǒng)等，它類似一臺(tái)便攜式電腦，具有優(yōu)越的性價(jià)比和功能，作為本智能設(shè)備開發(fā)的首選[3]。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

3.2 單片機(jī)STM32

本系統(tǒng)采用的單片機(jī)型號(hào)為STM32F103C8T6，并設(shè)定該微處理器工作頻率在72 MHz，其運(yùn)算速度是51單片機(jī)的幾十倍。該單片機(jī)融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓、豐富的外圍接口于一身，配合豐富的軟硬件開發(fā)工具，讓該類單片機(jī)成為項(xiàng)目中解決方案的理想選擇。

3.3 舵機(jī)MG996R

本系統(tǒng)選用MG996R金屬舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)蓋子打開，它由直流電機(jī)、減速電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套伺服系統(tǒng)，通過控制線發(fā)送可變寬度的脈沖來指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度，配合金屬拉桿達(dá)到控制垃圾桶蓋子的開合。 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須要完成兩個(gè)任務(wù)：①產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)；②脈寬的調(diào)整，即用單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比來達(dá)到控制目的[4]。

3.4 全彩LED燈WS2812B

WS2812B內(nèi)置全彩驅(qū)動(dòng)芯片，其控制電路和RGB芯片集成于一個(gè)5050封裝的元器件中，構(gòu)成一個(gè)完整的外控像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)的三基色顏色可實(shí)現(xiàn)256級(jí)亮度顯示，完成16 777 216種顏色的全真彩顯示。WS2812B具有體積小、亮度高、功耗低等特點(diǎn)，本項(xiàng)目將其置于垃圾桶內(nèi)部，當(dāng)蓋子打開后由STM32驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，特別是夜晚時(shí)更顯人性化，更進(jìn)一步引導(dǎo)人們將垃圾分類。

3.5 無(wú)線模塊ESP8266

本系統(tǒng)選擇ESP8266來遠(yuǎn)程監(jiān)控垃圾桶內(nèi)外情況，該模塊自帶一超低功率32位的CPU，具有能耗低優(yōu)點(diǎn)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可遠(yuǎn)程查看桶內(nèi)外溫濕度，當(dāng)桶內(nèi)溫度過高（如有未熄滅煙頭）或有異味時(shí)會(huì)發(fā)送警告信息給手機(jī)或上位機(jī)，同時(shí)會(huì)自動(dòng)開啟負(fù)離子發(fā)生器凈化桶內(nèi)異味和煙霧。垃圾桶還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)桶外濕度，低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開啟加濕器，此外還支持語(yǔ)音控制設(shè)備。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)PRI和STM32進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其中STM32程序主要是由C語(yǔ)言編寫的主程序、底層驅(qū)動(dòng)程序和各功能模塊子程序；而RPI是采用OpenCV進(jìn)行圖像處理，并加載TensorFlow訓(xùn)練的CNN垃圾識(shí)別分類算法進(jìn)行識(shí)別分類，即將收集到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行不斷地訓(xùn)練，最后由RCNN使用預(yù)先訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)的前幾層（如RestNet50）來識(shí)別來自輸入層的圖像特征。RPI攝像頭對(duì)垃圾識(shí)別分類流程如圖2所示。

圖2 RPI攝像頭識(shí)別垃圾流程圖

TensorFlow在其模型庫(kù)中提供了幾種對(duì)象檢測(cè)模型（具有特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的預(yù)訓(xùn)練分類器）。其中SSD-MobileNet模型具有允許更快檢測(cè)速度但精度較低的體系結(jié)構(gòu)，但其主要應(yīng)用在運(yùn)算能力較低的設(shè)備，而Faster-RCNN模型給出的檢測(cè)速度相對(duì)較慢但精度更高，可以在功能強(qiáng)大的筆記本電腦或臺(tái)式電腦上運(yùn)行檢測(cè)器。

本系統(tǒng)最初是從SSD-MobileNet-V1模型開始的，綜合考慮，后期在Faster-RCNN-Inception-V2模型上對(duì)檢測(cè)器進(jìn)行了重新訓(xùn)練，檢測(cè)效果明顯提升。訓(xùn)練RCNN的目的是調(diào)整RPN（區(qū)域生成網(wǎng)絡(luò)）和分類網(wǎng)絡(luò)在的權(quán)重，RPN網(wǎng)絡(luò)是產(chǎn)生圖中可能的目標(biāo)區(qū)域，分類網(wǎng)絡(luò)則是為每個(gè)可能的目標(biāo)區(qū)域得到一屬于某個(gè)分類的得分。而RCNN的目標(biāo)之一是生成圖像中檢測(cè)物的邊框，先由RCNN通過給定的邊界框（由邊框的長(zhǎng)、寬和左上角坐標(biāo)組成），應(yīng)用一組回歸系數(shù)來調(diào)整邊框大小?？杉僭O(shè)目標(biāo)和原始邊界框的長(zhǎng)和寬分別為L(zhǎng)、W、L、W，目標(biāo)和原始邊界框左上角的、坐標(biāo)分別為X、Y、X、Y，則由以下公式將原始邊界框換算為目標(biāo)邊界框：

5 測(cè)驗(yàn)結(jié)果與分析

調(diào)試初期，垃圾桶蓋子采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開合，但經(jīng)大量試驗(yàn)得出：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)抖動(dòng)、力矩不夠，長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，最終燒毀電機(jī)，其軟件配置程序較舵機(jī)更煩瑣。電機(jī)抖動(dòng)原因是步進(jìn)電機(jī)需要配置相應(yīng)的定時(shí)器（一個(gè)用于定時(shí)1 ms，另一個(gè)用于產(chǎn)生脈沖），通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果將定時(shí)1 ms的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為0級(jí)，用于發(fā)脈沖的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為1級(jí)，即用于定時(shí)1 ms的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)高于用于產(chǎn)生脈沖定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)，則會(huì)出現(xiàn)輸出脈沖間斷且丟脈沖的現(xiàn)象，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)產(chǎn)生抖動(dòng)且定位不準(zhǔn)[5]。后來改為MG996R舵機(jī)，配合金屬拉桿實(shí)現(xiàn)開閉。MG996R型號(hào)舵機(jī)有著20 kg的扭力且旋轉(zhuǎn)角度精準(zhǔn)易調(diào)，足以撐起蓋子，這一點(diǎn)比步進(jìn)電機(jī)強(qiáng)得多。

系統(tǒng)還增加了紅外和觸摸感應(yīng)模塊，當(dāng)人們能夠清楚分辨垃圾種類后可使用兩種感應(yīng)模塊快速開啟特定的蓋子，而不需要觸碰垃圾桶任何位置，減少接觸細(xì)菌的可能性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于深度學(xué)習(xí)的智能垃圾桶識(shí)別分類系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)過程，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將引導(dǎo)更多人認(rèn)識(shí)垃圾的分類及其重要意義。

測(cè)試表明，該智能分類垃圾桶的反應(yīng)速度較快、系統(tǒng)誤差較低、功能穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景，在今后還可對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行完善改進(jìn)，比如增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)集，讓垃圾桶可以精確識(shí)別更多的垃圾，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倒垃圾的功能，這將讓人們的生活更加智能化。垃圾桶的自動(dòng)識(shí)別分類對(duì)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著重要價(jià)值和意義，智能垃圾桶實(shí)物如圖3所示。

圖3 智能垃圾桶實(shí)物圖

［1］鞠海翔，樊東燕.公共場(chǎng)所智能垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.山西電子技術(shù)，2017（6）：28-31.

［2］吳凡，孫穎，賈長(zhǎng)青.基于物聯(lián)網(wǎng)的垃圾智能分類回收系統(tǒng)的研究［J］.科技與創(chuàng)新，2017（14）：48-50.

［3］陳龍，凌利，鐘學(xué)洋，等.基于WiFi的新型智能垃圾桶設(shè)計(jì)［J］.軟件導(dǎo)刊，2018（9）：171-174.

［4］黃益民.舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)綜合控制器設(shè)計(jì)［J］.價(jià)值工程，2020，39（4）：225-226.

［5］趙成龍，張春雷，陳龍.基于定時(shí)器的步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)［J］.精密制造與自動(dòng)化，2018（4）：30-32.

TP311

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.012

2095－6835（2020）12－0030－02

2020年廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金項(xiàng)目（攀登計(jì)劃專項(xiàng)）（編號(hào)：pdjh2020b0851）

郭昌鑫（1998—），男，廣東潮州人，在讀本科生，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。

陳公興（1981—），男，廣東湛江人，碩士，副教授，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)及機(jī)器人先進(jìn)技術(shù)。

〔編輯：王霞〕