顧裕華 張穎 徐帥杰 宋曉敏 黃增光

（江蘇海洋大學(xué)理學(xué)院 江蘇連云港 222005）

2020 年9 月22 日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上提出：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！睘閷?shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，需要通過大力發(fā)展新能源、構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)、發(fā)展CCUS（碳捕捉、封存和利用）技術(shù)等降低二氧化碳的排放，才能更早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和。光伏發(fā)電與垃圾分類兩大技術(shù)結(jié)合能很好地契合節(jié)能減排需求。

光伏發(fā)電技術(shù)具有可再生、儲(chǔ)量豐富、低碳、環(huán)保無污染、建筑兼容性強(qiáng)、安裝方便等眾多優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的重要技術(shù)之一。垃圾分類技術(shù)可以有效地節(jié)約資源和降低碳排放，這已是人類共識(shí)。就我國每年垃圾的增長量來看，2015 年、2020 年城市垃圾產(chǎn)量分別達(dá)2.6 億t 和3.23 億t，全國垃圾產(chǎn)量將以每年8%～10%的速度增長［1］。廚余垃圾與其他垃圾沒有分類也將給后續(xù)垃圾的處理工作造成困難。能夠提供一種準(zhǔn)確、成本低且快速便利的垃圾分類系統(tǒng)對日常垃圾的分類將起到不容小視的作用。而城市垃圾有兩大來源——工業(yè)與農(nóng)業(yè)，除了在生產(chǎn)地的處理處置和自循環(huán)以外，工業(yè)產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中的大部分都將進(jìn)入城市范疇來消費(fèi)，廢物需要得到妥善處置。而進(jìn)入生活垃圾范疇的，則需要通過環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)來幫助分離和收集，垃圾自動(dòng)分類就顯得尤為重要［2］。

因此，建立一套零能耗、精準(zhǔn)識(shí)別的垃圾自動(dòng)分類系統(tǒng)是非常必要的，它能實(shí)現(xiàn)24 h 無人值守自動(dòng)垃圾分類，成為人工分類的重要輔助手段。目前市場上存在的垃圾自動(dòng)分類系統(tǒng)均利用國家電網(wǎng)給垃圾處理裝置提供電力，因此有部署地域受限、需要外部供電等不足。本文采用的光伏發(fā)電技術(shù)能夠解決在垃圾分類時(shí)所需要消耗的能源問題，做到在“零能耗”基礎(chǔ)下仍有余電供市民使用的便捷功能；同時(shí)，利用深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)垃圾自動(dòng)分類的精準(zhǔn)識(shí)別。圖1 為系統(tǒng)整體實(shí)物圖。

圖1 系統(tǒng)整體實(shí)物圖

1 智能垃圾分類系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)

分類系統(tǒng)運(yùn)行過程中，依靠機(jī)電傳動(dòng)完成分類工作，其中包括傳送帶以及舵機(jī)推板。由傳送帶帶動(dòng)垃圾進(jìn)入圖像獲取區(qū)、識(shí)別分類區(qū)。傳送帶依靠直流減速電機(jī)帶動(dòng)，即齒輪減速電機(jī)，電壓12 V，轉(zhuǎn)速為60 r/min，由齒輪、軸承、蝸輪、蝸桿、主磁極、換向極、機(jī)座、電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、電刷裝置組成。舵機(jī)推板則根據(jù)系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果將垃圾分類投放。本設(shè)計(jì)采用舵機(jī)推板作為垃圾識(shí)別結(jié)果的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)成功識(shí)別垃圾后，由樹莓派控制舵機(jī)反轉(zhuǎn)，平推推板，從而將垃圾推入垃圾桶。

2 智能垃圾分類系統(tǒng)的構(gòu)成

智能垃圾分類系統(tǒng)由4 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：光伏供電子系統(tǒng)、垃圾分散子系統(tǒng)、多探頭并行識(shí)別子系統(tǒng)、智能化工作子系統(tǒng)。智能垃圾分類系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，獨(dú)立為系統(tǒng)供電，將多個(gè)垃圾分散后，依次進(jìn)行識(shí)別分類。同時(shí)通過STM32控制的多個(gè)傳感器及液晶屏幕實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化工作。

3 智能垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 光伏供電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光伏供電子系統(tǒng)采用離網(wǎng)式光伏系統(tǒng)，光伏充足情況下，可以完全獨(dú)立地給整個(gè)分類系統(tǒng)供電，無需外部電源。

離網(wǎng)式光伏系統(tǒng)由太陽能充放電控制器、蓄電池組、逆變器、直流負(fù)載和交流負(fù)載、太陽能電池板等構(gòu)成［3］。在有光照的情況下，通過太陽能電池板組成的光伏陣列將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)由充放電控制器對光伏陣列所發(fā)的直流電進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，儲(chǔ)存于蓄電池組中，利用逆變器將蓄電池組的直流電轉(zhuǎn)換為恒壓直流與交流電。無光照時(shí)，通過太陽能充放電控制器調(diào)節(jié)蓄電池組為負(fù)載和獨(dú)立逆變器供電［4］。

3.2 垃圾分散子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了確保分類系統(tǒng)實(shí)用性，系統(tǒng)執(zhí)行的第一步是對多個(gè)垃圾的分散，通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）的分散盤實(shí)現(xiàn)。

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS 管柵極的偏置［5］，實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS 管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變，可表現(xiàn)為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可控。通過控制直流電機(jī)構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)臺(tái)以恒定的速度梯度進(jìn)行由慢到快的轉(zhuǎn)動(dòng)，利用各類垃圾具有不同的相對密度、旋轉(zhuǎn)半徑和外表面摩擦系數(shù)這些特性，使得不同垃圾在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上所受到的徑向合力不同，繼而從旋轉(zhuǎn)臺(tái)上掉落的順序不同，實(shí)現(xiàn)分散。

3.3 多探頭并行識(shí)別子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多探頭并行識(shí)別子系統(tǒng)是智能垃圾分類系統(tǒng)的核心部分，由樹莓派主控，搭載卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制舵機(jī)推板完成分類。其運(yùn)行原理如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

在傳送帶上方，本設(shè)計(jì)部署有4 個(gè)紅外對管、4 個(gè)攝像探頭、4 個(gè)舵機(jī)推板。它們由同一個(gè)樹莓派多線程控制，紅外對管①、探頭A、舵機(jī)a 為一組分類區(qū)間，紅外對管②、探頭B、舵機(jī)b 為一組分類區(qū)間……依次類推。在同一組中，紅外對管用作檢測垃圾進(jìn)入；探頭拍照獲取圖像供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析識(shí)別［6］；樹莓派控制舵機(jī)根據(jù)識(shí)別結(jié)果，判斷舵機(jī)推板工作將垃圾推入垃圾桶，或不工作讓垃圾進(jìn)入下一組分類區(qū)間。

經(jīng)過垃圾分散子系統(tǒng)工作后，多個(gè)垃圾分散為單個(gè)垃圾依次進(jìn)入傳送帶。以一個(gè)垃圾的識(shí)別分類過程為例，展開詳細(xì)描述：傳送帶帶動(dòng)垃圾前進(jìn)，來到第一個(gè)分類區(qū)間口。紅外對管若未感應(yīng)到障礙物時(shí)，保持程序初始化；當(dāng)紅外對管感應(yīng)到障礙物，即垃圾開始進(jìn)入圖像獲取區(qū)，感應(yīng)障礙物消失即垃圾完全進(jìn)入圖像獲取區(qū)。紅外對管的對射被擋住時(shí)，即向樹莓派發(fā)送低電平信號(hào)，對射恢復(fù)即恢復(fù)高電平［7］。把一次完整的感應(yīng)從出現(xiàn)到消失作為程序判斷條件，當(dāng)條件符合時(shí)，停頓1 s后，樹莓派控制USB 攝像頭對下方區(qū)域進(jìn)行拍照。樹莓派搭載的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對圖像進(jìn)行分析識(shí)別。

本設(shè)計(jì)經(jīng)實(shí)測選出網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度低、計(jì)算消耗小的預(yù)訓(xùn)練模型inceptionV3，通過對模型的全連接、卷積、池化層整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)圖像高精確度識(shí)別，最終部署在移動(dòng)式設(shè)備樹莓派端。當(dāng)攝像頭檢測到垃圾時(shí)，獲取垃圾圖像，運(yùn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提取垃圾表面特征，進(jìn)行匹配識(shí)別，依據(jù)識(shí)別結(jié)果控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類。

同時(shí)，本設(shè)計(jì)采取多探頭并行識(shí)別模式，流程分析如圖3所示。在第一組中僅判斷垃圾是否為干垃圾；第二組僅判斷垃圾是否為可回收垃圾；第三組僅判斷垃圾是否為濕垃圾；第四組僅判斷垃圾是否為有害垃圾。以此模式，加快分析識(shí)別速度，并且在垃圾依次進(jìn)入分類區(qū)間時(shí)，各組能夠同時(shí)獨(dú)立工作互不影響。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行具體流程圖

3.4 智能化工作子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

除智能垃圾分類系統(tǒng)的主體功能之外，本設(shè)計(jì)還通過STM32 控制各傳感器以及液晶屏幕，來完成系統(tǒng)的智能化工作。

本設(shè)計(jì)在各垃圾桶內(nèi)，分別部署溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11，實(shí)時(shí)地將垃圾桶內(nèi)溫濕度數(shù)值呈現(xiàn)在液晶屏幕TF LCD 上。當(dāng)垃圾桶內(nèi)溫度過高時(shí)，STM32 給繼電器低電平信號(hào)來控制半導(dǎo)體制冷片開始工作，來對垃圾桶降溫，以起到防腐防異味的作用。

同時(shí)在垃圾桶內(nèi)還部署有壓力傳感器HX711，實(shí)時(shí)地將各垃圾桶內(nèi)垃圾重量呈現(xiàn)在液晶屏幕上［8］。當(dāng)重量到達(dá)一定數(shù)值，STM32 控制液晶屏幕呈現(xiàn)警報(bào)動(dòng)畫，來提醒管理者及時(shí)回收垃圾。

4 結(jié)語

本文將光伏發(fā)電與自動(dòng)垃圾分類技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于多探頭并行識(shí)別模式的光伏智能垃圾分類系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：光伏供電子系統(tǒng)、垃圾分散子系統(tǒng)、多探頭并行識(shí)別分類子系統(tǒng)、智能化工作子系統(tǒng)。通過各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和優(yōu)化，該系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)零能耗下垃圾資源的自動(dòng)、快速、高效分類，達(dá)到節(jié)能減排目的。在國家“雙碳”目標(biāo)背景下，本光伏智能垃圾分類系統(tǒng)為碳中和解決方案提供了一種積極而有益的示范。期望本光伏智能垃圾分類系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用到居民生活中，完善我國垃圾分類的體系，為碳排放事業(yè)做出貢獻(xiàn)。