智能分類垃圾桶的設(shè)計

崔赟杰　廖舒灝　成福良　林祺沁

摘? ?要：利用當(dāng)今最為流行的“識別”技術(shù)配合“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)為基礎(chǔ)，以垃圾桶為載體，設(shè)計出集獨特外觀設(shè)計，自動識別垃圾種類，自動分揀垃圾，自動投放，滿載報警，除臭，線上APP等為一體的智能分類垃圾桶，實現(xiàn)真正意義上的投放垃圾全智能化，滿足當(dāng)前居民，社會和國家的利益需求，符合智能化的發(fā)展需求以及綠色環(huán)保的發(fā)展理念。

關(guān)鍵詞：智能垃圾桶? 自動識別? 綠色環(huán)保

中圖分類號：TB47? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（c）-0067-02

據(jù)有關(guān)資料顯示：近10年，我國城市垃圾平均每年以8.98%的速度增長。我國歷年堆存的垃圾已達(dá)60億t，侵占了約5億多m2的土地。每年，我國生活垃圾產(chǎn)生量在4億t以上。在網(wǎng)絡(luò)購物日益普及的今天，快遞包裝垃圾也以驚人的速度增加。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，快遞包裝垃圾人均每年20kg。因此，智能垃圾分類勢在必行。

1? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對于這款智能分類垃圾桶，垃圾桶外觀總體由一個總艙門，四個分艙門分別對應(yīng)金屬，玻璃，塑料和其他垃圾構(gòu)成。垃圾桶有個顯示屏，用戶選擇投放垃圾后，垃圾桶會打開總艙門，進(jìn)行垃圾分類確定。在垃圾識別方面，有兩道識別工序，第一道工序是垃圾先進(jìn)入分類桶，人工在云端上傳常見的垃圾種類，用OpenCV識別垃圾，對攝像頭捕捉到的圖像進(jìn)行分析，然后樹莓派通過GPIO口控制機械臂移動并夾取相應(yīng)的垃圾，配合識別箱的移動將不同垃圾投入對應(yīng)的投放口。對于未能識別的垃圾，數(shù)據(jù)將上傳至云端進(jìn)行備份，由人工操作對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新。當(dāng)垃圾通過第一道工序后，分類桶下面有兩個門（一開一閉），利用安裝有傳感器和金屬探測儀的機械手臂1測量金屬并進(jìn)行分揀，利用安裝有傳感器和紅外探測儀1的機械手臂2區(qū)分塑料和玻璃并進(jìn)行分揀，通過內(nèi)部分辨垃圾的種類，把分好類的垃圾通過機械手臂分揀到可以打開的門處，利用滑軌滑動到相應(yīng)的桶內(nèi)對垃圾進(jìn)行依次投放，并且利用紅外探測儀2區(qū)別垃圾是否裝滿，在垃圾滿了后對環(huán)衛(wèi)人員發(fā)出報警信號，從而實現(xiàn)真正的智能。選擇合適的鋰電池作為獨立電源，在垃圾桶外安裝太陽能電池板對其進(jìn)行供電，從而實現(xiàn)真正的綠色智能。

2? 垃圾識別功能

2.1 實現(xiàn)所需準(zhǔn)備

（1）操作系統(tǒng)：Ubuntu版本18.04。由于考慮到實際投入使用，識別是Linux系統(tǒng)下實現(xiàn)的， 防止實現(xiàn)過程中出現(xiàn)讀寫問題（TensorFlow涉及到python運用，windows下容易出現(xiàn)讀寫問題）。

（2）實際生產(chǎn)所用硬件：樹莓派+攝像頭等傳感器+機械臂。

（3）硬件測試運算環(huán)境：RTX2070顯卡通過Tensorflow-gpu調(diào)用CUDA。VScode終端調(diào)試運行。

2.2 實現(xiàn)流程

（1）首先準(zhǔn)備好垃圾數(shù)據(jù)，并對垃圾數(shù)據(jù)做好標(biāo)簽分類導(dǎo)入到Tensorflow。

（2）Tensorflow將分好類的垃圾數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝成為dataset，并對dataset進(jìn)行深度計算、擬合（模型）和訓(xùn)練。

（3）數(shù)據(jù)被訓(xùn)練完成后會轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)模型文件，會被存為pb圖像文件，這時就可以運用OpenCV對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別并分類了。

（4）可以通過調(diào)用OpenCV的dnn模塊讀取訓(xùn)練出來的pb圖像文件，并對攝像頭傳感器捕獲到圖像每一幀進(jìn)行預(yù)測推斷分析。同時考慮到垃圾桶有實時性，有時候會遇到識別時間問題，而OpenCV支持Openvino，通過初始化調(diào)用intel二代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算棒（ncs），可以很容易做到快速推斷，相比普通運算速度大幅提高。時間約為50ms/幀。

（5）最后OpenCV推斷出攝像機所捕獲的幀，匹配相應(yīng)的垃圾的數(shù)據(jù)模型分辨出垃圾種類。直到攝像頭中的幀里檢測不出垃圾后停止工作，并取得不同類垃圾的xy坐標(biāo)，分析數(shù)據(jù)返回樹莓派，樹莓派通過GPIO口控制機械臂移動并夾取相應(yīng)的垃圾，配合識別箱的移動將不同垃圾投入對應(yīng)的投放口，以此實現(xiàn)垃圾桶的智能垃圾分類。

3? 該智能分類垃圾桶的主要功能

3.1 垃圾分類自動化

該款智能分類垃圾箱將傳統(tǒng)的人工分類垃圾轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑蓪ｉT的系統(tǒng)負(fù)責(zé)分揀垃圾，這樣的做法將大大地減少人工垃圾分類需要的大量的人力、物力，不讓垃圾分類再成為令人頭疼的問題，而是如此簡單、如此便利，減少了人們倒垃圾的負(fù)擔(dān)。

3.2 垃圾分類一體化

相比于當(dāng)今市面上的大多數(shù)智能分類垃圾桶，該智能分類垃圾桶集識別，檢測，分類，投放，報警為一體的產(chǎn)品，真正地解決人們主觀上不能識別垃圾類別的問題。避免分類錯誤帶來的垃圾處理不當(dāng)造成污染的環(huán)境問題。

3.3 了解轄區(qū)內(nèi)垃圾桶狀態(tài)

垃圾桶內(nèi)置無線傳輸模塊，可以把信息上傳至云端。環(huán)衛(wèi)工人可以通過APP了解當(dāng)前垃圾桶的狀態(tài)。一旦垃圾裝滿，該智能分類垃圾桶會通過APP向環(huán)衛(wèi)工人發(fā)出報警信號，提醒環(huán)衛(wèi)工人進(jìn)行清理作業(yè)工作。

3.4 處理垃圾桶異味

在垃圾桶蓋和垃圾桶內(nèi)筒壁上填充一層活性纖維炭，利用炭良好的吸附性能凈化空氣，美化周圍環(huán)境，避免招引飛蟲。該物理方法去除異味具有經(jīng)濟，有效的特點，并且不占用太多內(nèi)部空間，實現(xiàn)“小空間，大容量”的功能。

3.5 垃圾回收再利用

智能分類垃圾桶通過對垃圾的分類，可以有效地對可回收的垃圾進(jìn)行回收再利用，避免浪費，符合中華民族節(jié)約節(jié)儉的美德，同時響應(yīng)“不鋪張浪費”的主要思想。

4? 智能分類垃圾桶可行性分析

該產(chǎn)品響應(yīng)了：垃圾分類工作就是新時尚的想法。2017年3月30日，國家發(fā)改委、住建部頒布《生活垃圾分類制度實施方案》，要求在全國46個城市先行實施生活垃圾強制分類。自2019年7月1日，《上海市生活垃圾管理條例》在上海正式實施以來，許多居民都不適應(yīng)垃圾分類的要求，不能準(zhǔn)確地將垃圾進(jìn)行投放。在這個大的時代背景下，智能分類垃圾桶應(yīng)運而生，它的出現(xiàn)不僅有利于維護(hù)社會良好的衛(wèi)生環(huán)境，而且有利于督促市民產(chǎn)生環(huán)保綠色的意識，同時有利于環(huán)衛(wèi)工人工作的效率，節(jié)省了時間和人力物力。如果有企業(yè)進(jìn)行投資，在垃圾桶的外觀可以加入企業(yè)的廣告，這不僅可以使智能分類垃圾桶的價值最大化，還可以使得城市的資源得到合理的利用。

5? 結(jié)語

“世界上沒有垃圾，只有放錯資源的寶藏。”智能分類垃圾桶把傳統(tǒng)的垃圾分類結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)和其先進(jìn)的分類功能，造就了新的垃圾分類的潮流，對可回收的垃圾進(jìn)行回收再利用，避免浪費，符合當(dāng)今社會發(fā)展需求以及個人需求。智能分類垃圾桶不僅在環(huán)境保護(hù)，美化城市，督促人們形成良好的環(huán)境保護(hù)意識等方面起到重要作用，而且，它能夠有效提高環(huán)保人員工作的效率以及減輕垃圾站的壓力，它還能夠帶動智能，環(huán)保行業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造一系列的財富。

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