郭昌鑫，吳健杰，傅家怡，巫坤鋌，陳公興，周衛(wèi)星

基于深度學(xué)習(xí)的智能堆肥垃圾桶分類處理系統(tǒng)＊

郭昌鑫1，吳健杰1，傅家怡1，巫坤鋌2，陳公興1，周衛(wèi)星1

（1.廣州理工學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510540；2.廣州棒谷科技股份有限公司，廣東 廣州 510435）

“誰知盤中餐，粒粒皆辛苦”，每一粒糧食都是來之不易的。食物浪費既耗費人力物力，也會對環(huán)境造成不利影響。剩余食物放久之后會變質(zhì)，誤食后會危害人體健康，而利用這些食物做成堆肥，變成植物所需的有機物，可減少環(huán)境污染。因此，提出了基于深度學(xué)習(xí)的智能堆肥垃圾桶分類處理系統(tǒng)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)功能穩(wěn)定，誤差較小，具有一定的應(yīng)用價值。

食物浪費；深度學(xué)習(xí)；識別分類；堆肥

1 引言

隨人民生活條件的提高，食物浪費的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球每年浪費食物高達13億t，相當(dāng)于3 600萬輛18輪大型貨車的質(zhì)量，這些食物產(chǎn)生的溫室氣體排放量高達33億t，相當(dāng)于美國道路交通2010年排放總量的兩倍多，這將直接導(dǎo)致全球氣候變暖。因此，有必要在廚余垃圾產(chǎn)生時就利用起來，做成有機肥，為植物提供所需的 養(yǎng)分?，F(xiàn)階段國內(nèi)外處理餐廚垃圾的方法有很多，較為常用的方法有機械破碎、衛(wèi)生填埋、焚燒發(fā)電、厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵等[1]。

然而，廚余垃圾組分時空差異明顯，其pH值因中國各地飲食習(xí)慣不同有所差異，多數(shù)小于7.0，甚至小于6.0，少數(shù)偏堿性，C/N一般低于15∶1，以纖維性食物為主時較高，以蛋自性食物為主時則較低[2]。同時，廚余垃圾具有很強的分散性，收運成為要重點解決的問題，目前看來，廚余垃圾不適合集中統(tǒng)一處理，實行以家庭為單位的分散處理成為必需措施[3]。因此，智能堆肥垃圾桶分類處理系統(tǒng)將有效地解決廚余垃圾處理問題。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

制作堆肥需要熱、水、實物、空氣，缺一不可。首先由攝像頭識別廚余垃圾（包括水果、果皮、蔬菜等）后，由樹莓派進行識別分類并存放至攪拌區(qū)，其次是將識別到富含碳的物質(zhì)（比如干樹葉、木屑、小樹枝等）和富含氮的物質(zhì)（比如菜渣、咖啡渣等）一起存放到粉碎區(qū)并進行粉碎。當(dāng)廚余垃圾到達一定高度后，系統(tǒng)自動將粉碎區(qū)的物質(zhì)倒入攪拌區(qū)進行翻攪，系統(tǒng)自動檢測桶內(nèi)溫濕度，當(dāng)濕度過低將打開水泵進行噴霧，讓堆肥材料保持足夠濕度。同時還具備手機實時監(jiān)測pH值、負(fù)離子發(fā)生器清除異味等功能，系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

3 硬件結(jié)構(gòu)

3.1 單片機

本系統(tǒng)的主控為STM32單片機，并負(fù)責(zé)一些底層操作。當(dāng)樹莓派識別并分類垃圾后，將信號傳送給單片機，單片機即可驅(qū)動蓋子翻轉(zhuǎn)，把垃圾引入指定區(qū)域。同時還負(fù)責(zé)環(huán)境溫濕度、pH值等實時檢測等。

3.2 樹莓派

作為系統(tǒng)的核心部件，內(nèi)部搭載TensorFlow模型庫中訓(xùn)練的Faster-RCNN模型，訓(xùn)練過程中需要大量不同類別的“垃圾”圖片，即為讓機器認(rèn)識“垃圾”的一個過程，做到識別并分類垃圾。

3.3 舵機

主要負(fù)責(zé)分類時驅(qū)動蓋子打開。單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須要完成2個任務(wù)：①產(chǎn)生基本的PWM周期信號；②脈寬的調(diào)整，即用單片機模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比來達到控制目的[4]。

4 軟件設(shè)計

樹莓派識別分類垃圾流程圖及單片機處理垃圾流程圖如圖2、圖3所示。系統(tǒng)分類垃圾采用的分類模型是Faster-RCNN，該模型引入了RPN，即真正意義上把物體檢測整個流程融入到一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，具備自動提取功能，速度比Fast-RCNN模型快10倍。

圖2 樹莓派識別分類垃圾流程圖

圖3 單片機處理垃圾流程圖

在整個堆肥過程中，測量30 d內(nèi)碳總量、氮總量、pH值的變化，各變化曲線如圖4、圖5、圖6所示，其中碳總量程下降趨勢，較初值下降了10.5%，說明堆肥過程中揮發(fā)了含碳的氣體，而氮總量增加了2.5%，則該堆肥可為植物提供所需的氮元素。pH值由6.0變化到7.8，表面整個堆肥過程中微生物有較高的活性，且滿足《有機肥料》要求的5.5～8.5。

5 測驗結(jié)果與分析

調(diào)試初期桶內(nèi)氣體傳感器對異味設(shè)定的靈敏度過高，在氣體濃度較低時就誤啟動負(fù)離子發(fā)生器清除異味，而此時該濃度卻不足以引起人體的察覺，導(dǎo)致負(fù)離子發(fā)生器頻繁的開啟，這不僅增加電能的消耗，而且大大縮短了負(fù)離子發(fā)生器的使用壽命。好氧堆肥過程由一系列生物氧化-還原反應(yīng)組成，電子供體包括含氮有機物、碳?xì)浠衔?、酯類、多種有機酸及醇類，電子受體為O，堆肥是多種微生物相對多種底物進行協(xié)同作用的復(fù)雜生化過程[5]。研究過程中發(fā)現(xiàn)，在有氧堆肥中引起人體嗅到臭味的主要是氨氣和硫化氫這兩種氣體，因此需要對其實時監(jiān)測，經(jīng)過大量測驗，當(dāng)氨氣濃度達到6 mg/m3時才會引起人體的察覺，但是當(dāng)國家規(guī)定的氨氣安全指標(biāo)為最高濃度不超過0.2 mg/m3，則需把傳感器檢測值設(shè)在0.2 mg/m3，超過該設(shè)定值就會自動清除異味。

圖4 碳總量變化

圖5 氮總量變化

圖6 pH值變化

6 結(jié)束語

本文介紹了基于深度學(xué)習(xí)的智能堆肥垃圾桶分類處理系統(tǒng)及實現(xiàn)過程，堆肥其實是利用自然界中的分解者分解有機物，并將其分解為富含營養(yǎng)的土壤，而土壤又可以重新用來種樹種菜，無需再施肥，智能堆肥垃圾桶實物如圖7所示。針對廚余垃圾難收集、處理時間緊急、難以處理以及污染大等這一系列的特點，本設(shè)計以家庭為單位更有利于收集，而且堆肥周期短。其有氧堆肥較無氧堆肥有更大的優(yōu)勢，首先在有氧堆肥的過程中無異味產(chǎn)生，而無氧堆肥的過程中會散發(fā)出強烈的惡臭。自黨的“十九大”召開以來，國家已經(jīng)越來越重視環(huán)境保護和垃圾分類，中國在對廚余垃圾的處理上還是有所欠缺，本設(shè)計如果能夠普及，即可大大填補這一空白。以家庭為單位的自我收集的方式，可以減少大量的人力輸出，把污染物變成堆肥的方式，不僅為人類社會作出貢獻，更為保護環(huán)境貢獻一份力量，為綠色生態(tài)環(huán)境打造出一條可持續(xù)發(fā)展的星光大道。

圖7 智能堆肥垃圾桶實物圖

［1］杜玉吉，王海剛，靳慶麥，等.餐廚垃圾處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與分析［J］.能源與環(huán)境，2019（1）：87，90.

［2］蔡旺煒，陳俐慧，王為木，等.中國城市廚余垃圾好氧堆肥研究綜述［J］.中國土壤與肥料，2014（6）：8-13.

［3］孫煥頃，劉超，高春菊，等.餐廚垃圾處理市場化前端運營現(xiàn)狀與對策研究——以河北省為例［J］.現(xiàn)代農(nóng)村科技，2019（2）：1-2.

［4］黃益民.舵機、步進電機綜合控制器設(shè)計［J］.價值工程，2020，39（4）：225-226.

［5］周少奇.有機垃圾好氧堆肥法的生化反應(yīng)機理［J］.環(huán)境保護，1999（3）：3-5.

郭昌鑫（1998—），男，廣東潮州人，本科在讀，主要從事電氣工程及其自動化研究。

指導(dǎo)教師：陳公興（1981—），男，廣東湛江人，碩士，副教授，研究方向為測控技術(shù)及機器人先進技術(shù)。

2020年廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金項目（攀登計劃專項）（編號：pdjh2020b0851）；2020年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：202012668002X）

2095－6835（2021）06－0019－02

TP311

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.007

〔編輯：張思楠〕