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年中國就已經(jīng)超越美國成為世界第一垃圾制造大國，而且中國目前全國生活垃圾年產(chǎn)量為4億噸左右，并以大約每年8%的速度遞增。面對垃圾污染，人們也采取了衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥等無害化處理，但其中部分方法仍會造成環(huán)境污染（例如：焚燒、填埋）。近年來，垃圾提倡分類投放，分類處理，垃圾分類有一下幾點(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、減少廢塑料被動物誤食的風(fēng)險。

處理垃圾污染迫在眉睫，如今我國多數(shù)城市已經(jīng)開始實(shí)施垃圾分類政策，而由于相關(guān)知識的普及難免不夠全面，垃圾桶內(nèi)總有垃圾錯誤投放的事情發(fā)生，所以為提高垃圾投放的正確率，本項目將設(shè)計一款智能分類垃圾桶。

智能分類垃圾桶的種類有很多，目前比較常見的智能分類垃圾桶有以下幾種：

（1）智能垃圾分類亭（見圖1）

圖1 智能垃圾分類亭

這種分類亭一般放在社區(qū)，有專門的人員進(jìn)行監(jiān)督管理。它通過投放人員輸入所帶垃圾的名稱打開相應(yīng)的垃圾桶來進(jìn)行垃圾分類。

（2）基于云端的分類垃圾桶（見圖2）

圖2 基于云端的分類垃圾桶

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很順利。

為響應(yīng)垃圾分類政策，智能分類垃圾桶的開發(fā)在近年來熱度比較高，但目前所見的智能分類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題。例如，智能化程度不夠高，這主要針對第一類垃圾桶，它的智能分類能力主要體現(xiàn)在，可以根據(jù)投放者所說的垃圾打開相應(yīng)的垃圾桶。但如無人監(jiān)督，投放者可以將各種不同垃圾投放到同一個垃圾桶中，這并不能達(dá)到分類的目的，況且，這種垃圾桶由于體積的問題，將其安放在街邊是不現(xiàn)實(shí)的；第二類垃圾桶符合當(dāng)今萬物互聯(lián)的理念，并且借助互聯(lián)網(wǎng)可以較第一類垃圾桶更為智能地實(shí)現(xiàn)垃圾分類。而這類垃圾桶由于互聯(lián)網(wǎng)而方便，同時也受到互聯(lián)網(wǎng)的牽制，從而導(dǎo)致其在普及方面存在困難。

2 設(shè)計方案

2.1 總體設(shè)計方案（見圖3）

圖3 總體設(shè)計方案

2.2 硬件方案

（1）主體結(jié)構(gòu)

該垃圾桶內(nèi)有四個分類艙：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分類的分類盤。當(dāng)下位機(jī)接收到上位機(jī)的分類結(jié)果后，分類盤將在下位機(jī)的作用下完成分類，設(shè)計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）分類盤結(jié)構(gòu)

基于模型的分類盤設(shè)計是直徑為200mm的圓形結(jié)構(gòu)，將該圓形的1/4扇形設(shè)置為可動底部（下文中稱該可動底部為擋板），擋板可以在舵機(jī)的帶動下開合，從而實(shí)現(xiàn)將分類盤中的垃圾丟入垃圾桶中的目的（分類盤的3D模型見圖6）。

圖6 分類盤的3D模型

（3）垃圾分類的機(jī)械設(shè)計

該垃圾桶（模型）分類的主要機(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)的作用是將分類盤的1/4空缺部分定位到將要投擲當(dāng)前盤中垃圾的垃圾艙上方。當(dāng)電機(jī)完成定位后，由舵機(jī)拉動連桿，再由連桿控制擋板開合使得垃圾掉入對應(yīng)垃圾艙內(nèi)，該部分的3D模型見圖7。

圖7 分類機(jī)械設(shè)計

2.3 軟件方案

（1）識別模塊

本產(chǎn)品的識別部分是由YOLO v4視覺識別網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，識別功能屬于該產(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的生活垃圾，這些垃圾的圖片可以通過python進(jìn)行網(wǎng)上爬取。得到爬取到的照片后利用LabelImg軟件對圖片打標(biāo)簽，從而生成算法可以識別的.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值十分低時即可利用對應(yīng)的模型進(jìn)行識別。訓(xùn)練好的模型對主程序提供一個接口，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控制的激光測距模塊對相應(yīng)的垃圾艙經(jīng)行測距，利用得到的測距結(jié)果與空垃圾艙進(jìn)行比值計算即可得到當(dāng)前垃圾艙的滿載量。Arduino將計算出的滿載量上傳到Raspberry pi中，最終將由顯示屏將每個艙的當(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°，即一個脈沖對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)過1.8°的角。為了增加電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中的穩(wěn)定性，外部采用電機(jī)驅(qū)動模塊將步進(jìn)角進(jìn)行細(xì)分，當(dāng)細(xì)分值為8時，電機(jī)的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性已經(jīng)滿足要求。利用Arduino的P13腳來進(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），這可以通過程序中的公式Num=angle*8/1.8來獲得所需要產(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庫產(chǎn)生90°對應(yīng)的PWM，此時即可以控制擋板的開合實(shí)現(xiàn)垃圾的投擲。

結(jié)束語：本文設(shè)計了一種占用空間?。ǚ奖闫占埃梢酝ㄟ^需求來調(diào)整垃圾桶體積）、無人操作的智能分類垃圾桶設(shè)備。該設(shè)備通過單片機(jī)、樹莓派和深度學(xué)習(xí)來完成垃圾分類工作。由于基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別技術(shù)是事先訓(xùn)練好的，所以在后面垃圾桶識別過程中不需要用到網(wǎng)絡(luò)，這種設(shè)計主要是針對上面提到的第二類垃圾桶由于依賴網(wǎng)絡(luò)而普及困難的問題提出的。另外由于它的分類不需要人員監(jiān)督，可以在一定程度上節(jié)省實(shí)現(xiàn)垃圾分類的人力。這種垃圾桶的實(shí)現(xiàn)將具有推動垃圾分類政策普及和提高分類正確率的實(shí)際價值。