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(shù)量龐大，但高校產(chǎn)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(fā)布會上介紹的2018 年教育事業(yè)發(fā)展有關(guān)情況數(shù)據(jù)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(jù)此推斷，每年校園垃圾的產(chǎn)生量驚人，同時隨著國家對環(huán)境保護、垃圾分類和“智慧校園”藍圖的構(gòu)建，掀起了研發(fā)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(shè)計了一種智能分類垃圾箱，主要針對高校產(chǎn)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(shù)實現(xiàn)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(shè)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(xiàn)垃圾智能化處理[4]。

1.1 箱體設(shè)計

垃圾智能分類箱外形整體設(shè)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(cè)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(qū)，是垃圾的投放、識別、分類結(jié)構(gòu)， 用于安置識別設(shè)備；中層為垃圾的儲存區(qū)，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(shè)備等結(jié)構(gòu)；下層為智能分類垃圾箱整體的移動與支撐結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 垃圾智能分類箱概念結(jié)構(gòu)

1.2 分類結(jié)構(gòu)與識別設(shè)計

分類與識別為整個垃圾分類結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)動。1 號電機為42 步進電機負責控制活頁式翻板1 機構(gòu)的轉(zhuǎn)動，分別轉(zhuǎn)位±90°；2 號42 步進電機負責控制活頁式翻板2 機構(gòu)的轉(zhuǎn)動，分別轉(zhuǎn)位±90°。當接收到攝像識別系統(tǒng)反饋指令后，2 號電機首先進行類別分別，將翻板轉(zhuǎn)至識別類型收集桶上停頓，再由1號電機帶動翻板機構(gòu)轉(zhuǎn)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(shè)計

中間部分為儲存結(jié)構(gòu)，設(shè)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(jié)構(gòu)將垃圾投入下方對應垃圾桶。

1.4 控制與執(zhí)行模塊設(shè)計

電控執(zhí)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(qū)動模塊（DBD 控制板、42步進電機）構(gòu)成整個執(zhí)行系統(tǒng)，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(zhí)行垃圾種類圖像采集處理與識別、執(zhí)行命令輸出，將分類結(jié)果由樹莓派GPⅠO 口發(fā)出指令信號，通過DBD 控制板驅(qū)動1 號、2 號步進電機使其轉(zhuǎn)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(qū)動模塊接線方法

1.5 底盤設(shè)計

智能分類垃圾箱的移動及支撐主要由底盤系統(tǒng)實現(xiàn)，底盤系統(tǒng)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(jié)構(gòu)和受力的特殊性，可通過控制每個輪組正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)整體垃圾箱在不同方向移動，并通過箱體外側(cè)面的超聲波測距傳感器功能，實現(xiàn)底盤自動行走和避障的功能[5-6]。底盤系統(tǒng)設(shè)計如圖3 所示。

圖3 底盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)據(jù)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(guān)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為主[7]，輸出的垃圾分類信號轉(zhuǎn)化為電平輸送到GPⅠO 接口的繼電器、電機驅(qū)動器等控制單元，各部電機完成指定動作。分類單元執(zhí)行命令框架如圖4 所示。

圖4 分類單元執(zhí)行命令框架

智能分類垃圾箱實現(xiàn)智慧校園運行的流程如下：初始狀態(tài)時，紅外感應模塊檢測移動過程中的障礙，實現(xiàn)自我避障功能，同時還設(shè)有人體識別功能。例如在課間休息時間能根據(jù)移動人數(shù)多少實現(xiàn)某一僻靜位置靜止，同時根據(jù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練實現(xiàn)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(shè)的下限范圍時，垃圾箱短暫停留。若有垃圾被扔進箱內(nèi)，則通過AⅠ影像識別輸入模塊完成對垃圾的圖像數(shù)據(jù)采集后，樹莓派對垃圾類別進行判定，再通過機械控制執(zhí)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(nèi)，則垃圾箱繼續(xù)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(jié)及展望

基于樹莓派為平臺的智能分類垃圾箱設(shè)計，不僅有效解決了校園內(nèi)學生缺乏“垃圾分類”意識與舉措，同時為實現(xiàn)智慧校園構(gòu)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(shè)計，積極實現(xiàn)垃圾分類為社會帶來極大經(jīng)濟效益，同時也是實現(xiàn)“變廢為寶”的一種科學管理方法。

本設(shè)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(lián)、互聯(lián)技術(shù)，在應用基礎(chǔ)環(huán)境中深入研究技術(shù)，加大研究成果的轉(zhuǎn)化及推廣，真正意義上進行垃圾分類舉措的變革。