城市智能分類垃圾桶設(shè)計分析與研究★

王曙光，姜鶴明，張珊珊，朱少軍

（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000；2.溫州長江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325000）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟持續(xù)向好地發(fā)展及城市化水平的持續(xù)提高，城市人口越來越多的同時也使得我國每年產(chǎn)生的城市垃圾也在不斷的增多。根據(jù)媒體的報道，目前我國城市生活垃圾存量已達70億t以上。而每年仍以1.5億t的速度在增長。

而城市生活垃圾造成大量社會資源的浪費，經(jīng)過估算其中經(jīng)濟損失價值約250～300億元左右，而我國的垃圾進入綜合利用階段其資源化利用率不及5%，遠低于國際發(fā)達國家的60%；與此同時城市生活垃圾未能被及時處理，導(dǎo)致垃圾堆積污染空氣和水體并且侵占工農(nóng)業(yè)用土地，甚至危及人類和動植物的日常生活[1]。對城市生活中垃圾分類處理是我國城市實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要組成部分。

垃圾是被放錯的資源，如能根據(jù)城市垃圾的類型，及時對收集的垃圾進行分類處理，將不同特性的垃圾進行分類回收，能美化市容環(huán)境并且實現(xiàn)資源重新利用，進而促進生態(tài)文明和社會經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展。隨著綠色生活理念深入人心，對城市生活中的垃圾進行分類處理已經(jīng)成為社會各界人士的共識。垃圾分類得到國家和各界的關(guān)注，國家至地方政府都針對垃圾分類出臺了相關(guān)政策[2-4]。但相比較于國際上發(fā)達國家，我國的環(huán)保事業(yè)從起步晚，20世紀80年代開始研究相關(guān)的環(huán)境立法，到20世紀90年代才開始有垃圾分類的相關(guān)政策。

隨著各地垃圾分類政策的深入實施，城市居民對垃圾分類的意識也在逐年增強，在城市各處可見垃圾分類的基本設(shè)施，城市垃圾收集、回收、再利用的體系正在日趨完善，但是就整體垃圾分類效果而言并不是非常理想[5]。

城市生活節(jié)奏的加快，自動、智能已成為現(xiàn)代家居產(chǎn)品發(fā)展的一個必然要求。在目前5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善的背景下，越來越多的智能家電開始普及進入城市家庭生活中。城市居民對高頻且能明顯改善生活便利性的家居智能產(chǎn)品有著很強烈的需求，主打便捷、自動、智能的產(chǎn)品正成為城市居民的選擇。

利用人工智能技術(shù)代替工作人員完成分類工作的垃圾桶，逐步解放人們雙手和大腦是今后的一個發(fā)展趨勢。與此同時垃圾分類示范先行區(qū)地方政府即將通過行政法規(guī)管理和約束居民進行垃圾分類行為，便捷、智能化的分類垃圾桶必會成為城市居民強烈的需求[6-8]。

本文通過設(shè)計簡單易用的人工智能視覺傳感器，利用Arduino控制程序內(nèi)置于攝像頭，根據(jù)攝像頭所拍攝投放的垃圾，通過程序智能識別垃圾類型，并自動歸類存放。同時具有自動分類投放功能，垃圾分類語音反饋功能，無接觸翻蓋桶蓋功能。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

城市智能分類垃圾桶產(chǎn)品設(shè)計圖見下頁圖1。本次設(shè)計的垃圾桶中圖像采集模塊主要包括圖像采集攝像頭、輔助光源、光敏傳感器等，其主要的功能是采集和傳輸物品圖像信息。主要工作流程是當(dāng)垃圾進入到圖像采集結(jié)果中時及時關(guān)閉箱門并通過光敏傳感器將控制信號輸送到控制系統(tǒng)，同時采集攝像頭進行拍照，并將獲取的圖像信息傳輸至總控制主機。圖像處理系統(tǒng)主要完成垃圾識別與分類的流程，其中利用在云端的程序中嵌入具有人工智能的判斷系統(tǒng)完成對圖像的識別。當(dāng)采集攝像頭拍攝的圖像信息傳輸?shù)街鳈C系統(tǒng)中，通過人工智能的AI和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對照片進行圖像信息識別和比對，最總通過控制系統(tǒng)輸出控制信號，對垃圾進行分類處理。垃圾分類系統(tǒng)主要有4個不同分類的子垃圾桶如可回收、有害垃圾、其他垃圾子垃圾桶，以及控制機構(gòu)機械部分等構(gòu)成，其主要功能是在識別出垃圾類別后實現(xiàn)垃圾送入不同的子垃圾桶，分類存放。當(dāng)主機識別出垃圾的分類之后，通過系統(tǒng)發(fā)出控制信號將主舵機將垃圾旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的垃圾桶上方，然后副舵機再次旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)垃圾的分類存放。

控制系統(tǒng)完成整合圖像采集和傳輸、圖像對比和處理及垃圾分類等過程中的控制傳輸。

3 制作流程

本文中的智能分類垃圾桶的制作思路如下：第一步，根據(jù)我國環(huán)保部門制定的垃圾分類的標準，將可能的城市垃圾分為可回收垃圾、有害垃圾和其他垃圾等三大類和多個二級分類，如表1所示。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，結(jié)合現(xiàn)在我國城市垃圾的分類，最終確定智能分類垃圾桶的總體設(shè)計方案。

表1 垃圾分類類別表

第二步，搭建智能垃圾桶圖像采集系統(tǒng)部分并調(diào)試垃圾圖像的采集功能。參照現(xiàn)有機器視覺系統(tǒng)的要求和本研究的目的，連接并調(diào)試相關(guān)攝像頭、輔助光源和傳輸數(shù)據(jù)線等硬件，完成采集系統(tǒng)的搭建；同時盡可能多的收集垃圾圖像信息，為后續(xù)垃圾分類系統(tǒng)積累數(shù)據(jù)。

第三步，利用人工智能（AI）技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）的算法建立垃圾識模型和垃圾分類模型，連接并調(diào)試相關(guān)主機芯片、機械傳動結(jié)構(gòu)和傳輸數(shù)據(jù)線等硬件，完成系統(tǒng)主要部分的搭建。

第四步，提出智能垃圾桶的系統(tǒng)性方案設(shè)計，設(shè)計具體的機械傳動結(jié)構(gòu)；調(diào)試訓(xùn)練人工智能和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，并且通過實例驗證算法的有效性。

4 驗證過程

本文為驗證設(shè)計的智能垃圾桶的可行性，制作了如圖2為試樣的垃圾桶模型圖，驗證設(shè)計原理的可行性。本文設(shè)計的智能垃圾桶能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾識別，語音播報，拉伸取出等功能呢。

其主要的運行原理為：紅外感應(yīng)打開桶蓋，攝像頭拍攝保存垃圾照片，通過網(wǎng)卡圖片上傳阿里云云端程序進行識別類型，利用舵機將垃圾倒入對應(yīng)的儲存桶，從而實現(xiàn)開啟—采集—識別—投放整個投放垃圾過程。

5 結(jié)論

目前，本文智能分類垃圾桶產(chǎn)品已實現(xiàn)實物化，能準確地識別出多數(shù)固體城市生活垃圾。本文中研發(fā)的新型智能分類垃圾桶主要由內(nèi)外桶、內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、開合蓋結(jié)構(gòu)、垃圾體積檢測結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。該垃圾桶通過視覺識別系統(tǒng)，語音識別系統(tǒng)，紅外線等智能方法實現(xiàn)垃圾桶能夠快速準確的進行相應(yīng)的垃圾分類。

垃圾的種類達上萬種，其特征也各不相同，垃圾的圖片經(jīng)過程序判斷偶爾又出現(xiàn)判斷錯誤或者無法判斷的情況。程序的人工智能程度有待進一步提升，利用現(xiàn)有圖片自動學(xué)習(xí)的能力也有待加強。