吳旭東，沈子豪，彭福平，高絲雨，安海東，齊劍平

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

在21世紀(jì)中國經(jīng)濟(jì)水平快速發(fā)展的今天，居民生活水平不斷提高，城市生活垃圾的日產(chǎn)生量伴隨著物質(zhì)需求的增長(zhǎng)而一直居高不下。目前仍有許多地方在采用垃圾掩埋作為垃圾處理的主要方式，然而土地面積有限，填埋的垃圾量也逐漸趨于飽和，如果能對(duì)垃圾進(jìn)行正確的分類，對(duì)垃圾進(jìn)行有效的回收再利用，就能在一定程度上減輕或緩解對(duì)土地資源造成浪費(fèi)及對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染，同時(shí)起到節(jié)約資源、減少浪費(fèi)等作用。在20世紀(jì)末，國家就已經(jīng)開始提倡并出臺(tái)相應(yīng)政策對(duì)垃圾分類收集處理作出相關(guān)規(guī)定，但在當(dāng)時(shí)由于居民垃圾分類意識(shí)不強(qiáng)烈、分類知識(shí)欠缺等普遍原因加上執(zhí)行監(jiān)管力度不夠等原因，導(dǎo)致分類效果并不理想，從而沒有達(dá)到預(yù)期效果。

2019-07-01，上海作為垃圾分類試點(diǎn)城市發(fā)布并執(zhí)行了一系列針對(duì)垃圾分類處理的政策，條例將垃圾分類納入法制體系，以此來推進(jìn)垃圾分類處理。條例實(shí)施后，許多市民不僅在垃圾分類過程中花費(fèi)時(shí)間，學(xué)習(xí)分類知識(shí)同樣也需要花費(fèi)不少精力。然而隨著人們生活節(jié)奏逐漸加快，越來越多的年輕人無法將更多精力分配于繁復(fù)的生活瑣事，逐漸依賴于利用了人工智能、綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、安全防范技術(shù)、音視頻技術(shù)等技術(shù)的智能家居產(chǎn)品。高效化、便捷性、自動(dòng)化、智能化、能明顯提升生活便利性的家居智能產(chǎn)品逐漸走進(jìn)年輕人的生活，并逐漸受到人們的青睞。垃圾分類作為解決處理垃圾流程中較為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，決定著后續(xù)處理環(huán)節(jié)的難易程度。本文提出一種基于深度學(xué)習(xí)可識(shí)別分類的智能垃圾桶，該裝置能自主地完成對(duì)生活垃圾的分類處理，在很大程度上緩解人們對(duì)垃圾分類所帶來的困擾，另外能降低人們對(duì)垃圾進(jìn)行分類的時(shí)間成本，為日常生活垃圾分類處理提供新的解決方案，使垃圾分類的效率及效果有大幅度提升。

1 可分類智能垃圾桶介紹

可分類智能垃圾桶在設(shè)計(jì)之初，若作為一款成熟的智能家居產(chǎn)品，必須滿足以下幾個(gè)設(shè)計(jì)要求：①可分類智能垃圾桶能夠在良好穩(wěn)定的環(huán)境下通過攝像頭采集到清晰、完整的垃圾圖像，完成原始數(shù)據(jù)的獲??；②垃圾分類系統(tǒng)能在裝置完成數(shù)據(jù)采集后可以完成圖像數(shù)據(jù)的處理、處理結(jié)果分析及垃圾的分類篩選，在此過程中要求數(shù)據(jù)處理、分類結(jié)果的準(zhǔn)確性及高效性；③應(yīng)當(dāng)安裝信號(hào)處理系統(tǒng)，能在短時(shí)間內(nèi)完成指令傳輸、信息的交互，具有優(yōu)良的通訊傳輸功能。

本裝置的主要控制系統(tǒng)選用了體積較小、性價(jià)比較高、操作較為簡(jiǎn)單的嵌入式設(shè)備——樹莓派，由于在日常生活中的垃圾分類處理時(shí)一般將垃圾分成有害垃圾、可回收垃圾、廚余垃圾和其他垃圾4種不同類別，可利用垃圾桶的不同顏色加以區(qū)分，本裝置將可分類智能垃圾桶設(shè)計(jì)成可以提高空間利用率及垃圾分類效率的垂直四桶分類式結(jié)構(gòu)[1]。模型自上至下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依次為垃圾投放口、停駐擋板、數(shù)據(jù)采集裝置、垃圾分選用機(jī)械控制裝置、支架、底座等部分，裝置主要工作流程如下：垃圾通過垃圾投放口后進(jìn)入垃圾桶的過程中，嵌入在垃圾桶頂部的攝像頭首先會(huì)在有穩(wěn)定光源的情況下對(duì)停留在垃圾投放口下方的停駐擋板上的垃圾進(jìn)行拍照處理，完成圖像數(shù)據(jù)的采集后將采集完成的數(shù)據(jù)傳入提前嵌入樹莓派設(shè)備中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)分類層分析出垃圾所屬類別后，將處理結(jié)果傳輸?shù)綐漭珊?，分類系統(tǒng)通過垃圾分選用機(jī)械控制裝置中的舵機(jī)實(shí)現(xiàn)不同分類垃圾桶的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，歸屬于某一類垃圾回收桶桶口與上方垃圾投放口停駐擋板豎直對(duì)應(yīng)，打開上方停駐擋板，垃圾順利進(jìn)入到對(duì)應(yīng)垃圾類別的垃圾桶中，準(zhǔn)確高效地完成了垃圾的分類工作[2]?？煞诸愔悄芾斑\(yùn)行框圖如圖1所示。

圖1 可分類智能垃圾桶運(yùn)行框圖

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 樹莓派RPI

本裝置要求主控裝置需要完成垃圾圖像數(shù)據(jù)的采集，圖像數(shù)據(jù)的傳輸、處理及識(shí)別，識(shí)別結(jié)果通過信號(hào)傳輸至垃圾分類結(jié)構(gòu)中，以此實(shí)現(xiàn)不同種類垃圾的分類處理。如圖2所示，為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)的樹莓派3代B+型開發(fā)板（Raspberry Pi3 B+）可以將其看作是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，其以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)，既能滿足本系統(tǒng)的模擬場(chǎng)景，價(jià)格又較為低廉，具有優(yōu)越的功能和性價(jià)比，是本系統(tǒng)控制中樞的不二選擇。

圖2 樹莓派3代B+型開發(fā)板

2.2 攝像頭

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，攝像頭作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵，其選用決定了所獲取的圖像數(shù)據(jù)的清晰度、對(duì)比度，對(duì)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確率起著決定性的作用。由于本裝置采用Raspberry Pi3 B+作為系統(tǒng)的開發(fā)板，而Raspberry Pi Camera Modulev2自帶高質(zhì)量800萬像素索尼IMX219傳感器擴(kuò)展板，擁有定焦鏡頭，可拍攝高清視頻及靜態(tài)照片，是專門為樹莓派定制的，并適用于Raspberry Pi 1～4的所有型號(hào)，能夠較好地與本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊。Raspberry Pi Camera Modulev2如圖3所示。

圖3 Raspberry Pi Camera Modulev2

2.3 照明LED燈

為了使圖像獲取效果更明顯，效率更高，需要增加穩(wěn)定光源，以保證環(huán)境光的統(tǒng)一穩(wěn)定，在衡量照明的均勻度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、發(fā)光效率等因素后，選擇LED燈作為環(huán)境光供給的電子元器件，其擁有節(jié)能環(huán)保、長(zhǎng)壽命、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用，在本裝置中能夠較好地保持圖像數(shù)據(jù)獲取環(huán)境的一致性，保證了圖像質(zhì)量。LED燈帶如圖4所示。

圖4 LED燈帶

2.4 舵機(jī)

裝置在垃圾完成種類識(shí)別之后，機(jī)械裝置依靠底部4個(gè)垃圾桶轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度實(shí)現(xiàn)垃圾的分類入桶，故選取旋轉(zhuǎn)精度高、扭力較大的一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，能夠控制并適應(yīng)角度變化的舵機(jī)來完成。在此裝置中，通過控制線發(fā)送可變寬度的脈沖控制輸出軸旋轉(zhuǎn)角度，以調(diào)整裝置下方的4個(gè)垃圾桶的旋轉(zhuǎn)角度，使目標(biāo)分類垃圾桶與停住擋板在同一豎直方向上，使得不同種類的垃圾能夠順利進(jìn)入與之對(duì)應(yīng)的垃圾桶中。舵機(jī)如圖5所示。

圖5 舵機(jī)

2.5 超聲波傳感器

在此裝置中，在垃圾投放口及垃圾桶桶口2處設(shè)置了超聲波傳感器，利用超聲波傳感器能夠利用聲波介質(zhì)對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測(cè)，不受檢測(cè)物顏色、狀態(tài)等因素變化的影響，且檢測(cè)性能對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求較低，能夠較好地滿足垃圾形狀、狀態(tài)、質(zhì)量等不同條件下的分類要求，在裝置的投入口處設(shè)置，用于檢測(cè)是否有垃圾投入，當(dāng)超聲波傳感器在投入口檢測(cè)到有垃圾投入時(shí)，反饋給樹莓派，樹莓派啟動(dòng)攝像頭開始圖像數(shù)據(jù)獲取。而垃圾桶桶口處的傳感器則用于檢測(cè)垃圾桶桶內(nèi)垃圾是否裝滿溢出，若達(dá)到預(yù)設(shè)容量值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音，提醒工作人員回收處理，避免垃圾溢出造成二次污染。蜂鳴器如圖6所示。

圖6 蜂鳴器

3 軟件結(jié)構(gòu)

視覺識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為整個(gè)裝置的重點(diǎn)，為識(shí)別結(jié)果的高效性、準(zhǔn)確性提供保障，其可以分為圖像獲取識(shí)別層及垃圾智能分類系統(tǒng)層。

3.1 圖像獲取識(shí)別層

智能分類垃圾桶通電后，安裝在投放口處的超聲波傳感器感應(yīng)到有垃圾通過投放口投入時(shí)將信號(hào)反饋給樹莓派，樹莓派接收信號(hào)后打開白色LED燈帶，為無畸變、帶有逆光補(bǔ)償、免驅(qū)動(dòng)安裝、可支持多種操作系統(tǒng)的150°廣角USB攝像頭提供較為理想的圖像數(shù)據(jù)獲取環(huán)境，在圖像數(shù)據(jù)獲取完成后傳輸至圖像識(shí)別處理單元進(jìn)行下一步工作。

3.2 垃圾智能分類系統(tǒng)層

在垃圾圖像識(shí)別處理系統(tǒng)當(dāng)中，首先實(shí)驗(yàn)選取了日常生活中常見生活垃圾，包括廢舊塑料瓶、易拉罐、紙制品、電池、化妝品等多種垃圾作為原始數(shù)據(jù)集，按照日常分類要求將垃圾分成有害垃圾（電池、殺蟲劑、廢棄化妝品、過期藥瓶、廢電池和廢燈泡）、可回收垃圾（廢棄塑料、廢舊紙張、廢玻璃、布料和金屬）、廚余垃圾（果皮、蛋殼、固體食物、果核和肉碎骨等）和其他垃圾（煙頭和碎瓷片）4種。為得到一個(gè)較為完整、識(shí)別準(zhǔn)確率較高的數(shù)據(jù)集，需要建立不同垃圾種類，分別用于訓(xùn)練和測(cè)試的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。此過程需要龐大的數(shù)據(jù)支持，在各硬件模型等實(shí)驗(yàn)環(huán)境初步搭建完成后，利用Raspberry Pi Camera Modulev2攝像頭對(duì)上述不同種類的垃圾在不同背景及角度拍攝大量圖片作為部分?jǐn)?shù)據(jù)，由于現(xiàn)實(shí)生活的垃圾通常狀態(tài)、形態(tài)、顏色等都是不規(guī)則的，所以僅在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下獲取的數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)收集到與上述環(huán)境大致吻合并符合要求的垃圾圖片，與實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建獲取的數(shù)據(jù)共同構(gòu)成一個(gè)原始的龐大數(shù)據(jù)集。完成數(shù)據(jù)集的獲取后通過需對(duì)原始數(shù)據(jù)集中所屬不同垃圾種類的垃圾圖像建立不同的文件夾進(jìn)行相應(yīng)分類，并將獲取到的龐大數(shù)據(jù)集按照一定比例分成用于訓(xùn)練的訓(xùn)練集和用于測(cè)試的測(cè)試集供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，當(dāng)訓(xùn)練達(dá)到一定次數(shù)后，識(shí)別準(zhǔn)確率將不會(huì)有所變化并趨近于某一個(gè)數(shù)值，在這之后即使再增加訓(xùn)練次數(shù)，效果無顯著提升并逐漸無明顯影響，此時(shí)一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練基本完成[3]。由于此過程會(huì)消耗運(yùn)行機(jī)大量的內(nèi)存和資源，但嵌入式設(shè)備性能受限，因此卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建與訓(xùn)練需要首先通過PC實(shí)現(xiàn)，并在PC上測(cè)試獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，之后在樹莓派上搭建了Linux系統(tǒng)環(huán)境與Tensor-Flow軟件環(huán)境，將該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型移植到嵌入式設(shè)備樹莓派上，并通過測(cè)試集進(jìn)行測(cè)試后進(jìn)行參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化，以此提升不同垃圾種類識(shí)別過程中的準(zhǔn)確率和效率。

在整個(gè)視覺系統(tǒng)中，在攝像頭完成圖像獲取后會(huì)首先判斷投入的垃圾是否可以被識(shí)別，即是否已在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，如果投入的垃圾沒有被系統(tǒng)識(shí)別出來，在垃圾分類系統(tǒng)層中，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)該垃圾屬于其他類垃圾，舵機(jī)將旋轉(zhuǎn)至一定的角度，使投放口停住擋板與對(duì)其他類的小垃圾桶豎直對(duì)應(yīng)；若投入的垃圾可以識(shí)別出來，則通過移植到嵌入式設(shè)備的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷垃圾的具體所屬類別，將已獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過已經(jīng)訓(xùn)練好并調(diào)參優(yōu)化后的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)算后，系統(tǒng)會(huì)判斷此種垃圾對(duì)應(yīng)的垃圾所屬類別，并將判斷垃圾種類信息的結(jié)果顯示到屏幕上，緊接著控制分類系統(tǒng)層的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，控制底板上的舵機(jī)底盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使與底盤連接的智能分類桶轉(zhuǎn)動(dòng)到與垃圾種類相一致的某一分類桶桶口與上方停駐擋板對(duì)應(yīng)位置后控制投入口下方停駐隔板打開，使垃圾能夠順利掉入下方所正確對(duì)應(yīng)的垃圾桶中，從而實(shí)現(xiàn)將垃圾投入到對(duì)應(yīng)的垃圾分類桶中。

4 機(jī)械控制

智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)遵循小型化原則，采用SolidWorks軟件對(duì)垃圾桶進(jìn)行模型建立，其整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。智能垃圾分類垃圾桶機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由底板、底座、4個(gè)分類垃圾桶、滑槽、旋轉(zhuǎn)擋板、鋁型材框架、漏洞狀的連中間軸的引流槽、支座以及中間軸9部分組成。整體結(jié)構(gòu)由密度較小并便于加工的方形鋁架作為框架，底座由2個(gè)正方形四角圓弧亞克力板和4個(gè)便于移動(dòng)的萬向輪支座構(gòu)成，底板由透明的亞克力板作為承載，為了提高裝置的整體空間的利用率，也方便安裝、拆卸及移動(dòng)，更高效、更迅速地完成不同種類垃圾的智能分類，設(shè)置有害垃圾、可回收垃圾、廚余垃圾和其他垃圾4個(gè)分類垃圾桶類型均為下窄上寬的圓臺(tái)，底座上放置的垃圾桶通過上板被下板承載，底座連著中間軸，由舵機(jī)控制可以調(diào)整底座360°自由旋轉(zhuǎn)，使垃圾投入到對(duì)應(yīng)類別的垃圾分類桶中。測(cè)試表明，此種機(jī)械裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)速度較快，功能實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定，能夠較好地滿足日常生活需求。

圖7 智能分類垃圾桶結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

本文采用的基于圖像識(shí)別、樹莓派和Linux開發(fā)板的智能垃圾桶模擬方案，采用體積相對(duì)較小、操作較為簡(jiǎn)單的樹莓派主要負(fù)責(zé)將收集回來的垃圾圖像利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了可分類智能分類系統(tǒng)。由于嵌入式設(shè)備數(shù)據(jù)處理能力有限，將已訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)移植到嵌入式設(shè)備樹莓派中，成為了具備高準(zhǔn)確率、高效率的識(shí)別垃圾種類功能的核心嵌入式主控設(shè)備。通過Raspberry Pi Camera Modulev2攝像頭完成了對(duì)投入垃圾桶停駐擋板上的垃圾進(jìn)行拍攝，采集拍攝圖像數(shù)據(jù)獲取并對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，判定出垃圾物的回收種類，并將種類信息通過串口發(fā)送給Linux開發(fā)板，進(jìn)而控制舵機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)分類效果，結(jié)合其他傳感器，實(shí)現(xiàn)滿載預(yù)警、顯示屏結(jié)果顯示等一些附加功能，使產(chǎn)品功能更加完備。該分類裝置反應(yīng)速度較快，系統(tǒng)誤差較低，功能穩(wěn)定，在當(dāng)前在國家環(huán)保政策的引導(dǎo)下，以及人們對(duì)智慧生活的向往，家庭生活垃圾智能分揀、自動(dòng)分類技術(shù)及裝置具有一定的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景，但本系統(tǒng)仍有較多內(nèi)容需要進(jìn)行完善及改進(jìn)，如增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)集，能精確識(shí)別更多的垃圾種類，更貼合日常生活的使用場(chǎng)景，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封袋打包垃圾、對(duì)分類垃圾實(shí)現(xiàn)壓縮增大容量等功能，以此節(jié)約垃圾處理的時(shí)間和成本，有效緩解不合理的垃圾分類對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的影響。