基于機器視覺的家庭智能分類垃圾桶設計

宋濤

（遼寧經濟職業技術學院，遼寧沈陽 110122）

社會經濟的不斷發展，人們生活水平也發生了巨大的變化，隨著人們生活的快速發展，同時產生的生活垃圾也逐漸增多。近年來，隨著城鎮化的進程，據不完全統計，我國城市垃圾平均每年以10%的速度增長，預計到2023年生活垃圾產生量將在4億噸以上，垃圾堆積不僅對環境有所污染，同時歷年堆存的垃圾還侵占了大量的土地，也是對土地的一種浪費。通過對城市廣泛的實地調查和采樣分析，居民生活垃圾約占城鎮生活垃圾總量的60%以上。為了長期保護人類生存的環境，減少垃圾對環境的影響和破壞，家庭生活垃圾分類處理是每個人的重要責任和義務。雖然各個城市都制定了垃圾分類的政策，但是由于人們垃圾分類意識薄弱，垃圾分類知識缺乏，垃圾桶分類不清楚等因素，導致生活垃圾分類效果不明顯，有時只是擺設，而隨著人工智能技術中機器視覺技術的廣泛應用，使用機器視覺技術自動識別垃圾成為可能，基于機器視覺的家庭智能分類垃圾桶設計研究，就是利用人工智能中的機器視覺來實現對家庭中的生活垃圾進行自動分類，提高垃圾分類的準確性和處理效率。

1 垃圾分類介紹

人們在生產、生活中產生的大量垃圾，垃圾分類是可以減少垃圾處置量、可進行無害化處理、減少土地占用，提高垃圾資源利用水平。垃圾分類是有利于民生的一項重要工程，這不僅是國家的職責，也是我們公民的義務，每一個公民都有責任保護我們的家園。人們的生活垃圾一般可分為四大類：一是可回收垃圾，主要包括廢紙、塑料、玻璃、金屬和紡織物五大類。廢紙主要包括報紙、期刊、圖書、各種包裝紙、辦公用紙、廣告紙、紙盒等。二是有害垃圾，主要包括廢電池、廢日光燈管、廢水銀溫度計、過期藥品等，這些垃圾需要進行特殊處理。三是廚余垃圾，主要包括剩菜剩飯、骨頭、菜根菜葉、果皮等食品類廢物，這些垃圾可以進行生物技術處理，可以制成有機肥料。四是其他垃圾，主要包括除上述幾類垃圾之外的磚瓦陶瓷、渣土、衛生間廢紙、紙巾等難以回收的廢棄物。對于不同的生活垃圾要采用不同的方法進行處理，這樣可以有效地減少對地下水、地表水、土壤及空氣的污染，降低了垃圾對環境的危害，減少城鎮土地的占用。

2 機器視覺技術

2.1 機器視覺技術定義

機器視覺就是指在機器上加上一個光學設置，使機器具有視覺功能，提高機器的自動化和智能化的功能。也可以說機器視覺是一種模擬人類視覺系統的生物感官模擬器，機器視覺通過攝像頭采集目標影像，并轉換成圖像信息，通過傳輸系統傳遞給圖像處理系統，將像素的分布情況及物體的圖像特征信息轉化為數字信號，圖像處理系統對這些數字信號進行各種運算來提取目標特征，例如物體的顏色、數量、位置、面積、長度等信息，這些圖像信息生成之后，再根據預先設計的條件進行判斷，最后輸出結果，實現人工智能方面的自動識別功能[1]。機器視覺應用系統包括圖像采集、圖像處理、傳感器、人工智能、圖像識別、模擬與數字視頻技術、機械控制等技術。

2.2 機器視覺技術研究

隨著計算機技術、網絡通信技術、大數據、人工智能技術的快速發展和離散數學理論的完善，機器視覺技術已經被廣泛應用于人們生產、生活中的各個領域中，尤其是西方發達國家，他們的機器視覺技術廣泛地應用工業生產、醫學和農業等方面。多傳感器信息融合是機器視覺技術研究的一個方面，它是利用計算機技術、數據處理技術、工業控制技術等技術，將處于各個不同位置的傳感器信息收集起來，然后再進行數據分析和信息處理技術。主動視覺也是機器視覺研究的一個方面，根據分析結果和視覺的要求，系統主動地改變傳感器，使視覺系統能夠主動地選擇和跟蹤研究目標。傳統的計算機視覺理論，把視覺過程看作一個信息處理的過程，側重于研究二維圖像。通過模塊化的視覺計算和分層表示，獲得三維圖像，但是這種技術很難獲得三維景物的精確描述。三維重建技術也是機器視覺技術研究一個方面，它是根據單視圖或多視圖的圖像重新構建三維圖形信息，利用計算機和數學模型通過處理、分析等操作，獲得真實物體幾何形狀的技術。

3 智能垃圾桶設計

由于人們對垃圾分類知識缺乏，經常出現垃圾分類不清楚的現象，為了提高垃圾分類效率，家庭智能分類垃圾桶的設計就很重要，機器視覺技術具有識別物體的速度較快、可重復性工作、適應能力強和適用范圍廣等特點，提高了垃圾分類的檢測效率和準確性，將機器視覺技術應用到垃圾分類應用中，為城鎮家庭的生活垃圾分類提供了便利。

3.1 硬件設計

智能垃圾桶整體結構分為上、中、下3層，上層安裝樹莓派開發板、太陽能電池板、LED燈、攝像頭、紅外線探測儀、煙霧探測儀和報警裝置；中層安裝機械傳動裝置，主要安裝是舵機、隔板、擋板等，下層安裝四個箱體[2]，包括可回收垃圾箱體、有害垃圾箱體、廚余垃圾箱體和其他垃圾箱體，方便垃圾分類，同時垃圾桶還設置有感應自動開關、手動、腳踏的開蓋功能，保障用戶這三種方式都可以正常打開垃圾桶上蓋。

樹莓派是基于Linux內核的單片微型計算機，具有體積小、功能強大的特點，以SD/MicroSD卡為內存硬盤，卡片主板上有USB接口和以太網接口，可以連接鍵盤、鼠標和網線，同時還有攝像機串行接口，以上所有的硬件都可以放在很小的主板上。智能垃圾桶系統是基于樹莓派開發板進行設計搭建，由于垃圾桶設計中要用攝像頭采集垃圾圖像，并把采集圖像進行信息處理，然后才能進行垃圾識別，識別后的垃圾進行分類處理，類別系統還要控制舵機進行轉動，并打開相應的垃圾箱體的隔板，讓垃圾落入到系統指定的箱體中，這就要用樹莓派作為智能垃圾桶系統的開發板。

安裝的紅外線探測儀可以判斷垃圾是否裝滿，如果已經裝滿會發出提示聲音，也可以進行垃圾桶內的溫度測量。機器視覺關鍵的硬件部分就是攝像頭，它決定了采集垃圾圖片的清晰度和對比度，在智能分類垃圾桶設計中只選用了攝像頭，可以拍攝在指定區域內的垃圾圖像。為了使垃圾圖片拍攝更加清晰，圖像識別更加準確、效率高，在光源選擇上采用LED燈，這是由于LED光源發光均勻、亮度好。在智能分類垃圾桶的下層要放置4個分類垃圾桶，為了充分利用空間，所以分類垃圾桶采用的長方形結構，并且上方都設有隔板，并且每個垃圾桶上都有垃圾分類標簽，當垃圾識別完成后對應的垃圾桶上蓋將會打開，隨著轉軸的轉動將垃圾送到相應的桶中。

3.2 系統設計

家庭智能分類垃圾桶的系統設計主要由四部分構成，分別為控制模塊、圖像采集模塊、圖像識別模塊、分類處理模塊系統，如圖1所示。

圖1 家庭智能分類垃圾桶系統設計

家庭智能分類垃圾桶的垃圾圖像信息數據庫的設計，首先創建生活垃圾圖像數據庫，并將垃圾數據做好標簽進行分類，并將垃圾信息數據上傳到家庭智能分類垃圾桶數據庫中，并對數據進行深度計算、分析和訓練，訓練完成后的數據將轉為數據模型文件同時形成垃圾圖像數據模型文件保存，可以運用OpenCV對垃圾識別并進行垃圾分類。如果數據庫查找不到此類垃圾，還可以人工錄入垃圾信息并設置垃圾分類的種類。

如果當垃圾投入垃圾桶中時，將啟動圖像采集系統，家庭智能分類垃圾桶的圖像采集系統包括圖像采集箱、攝像頭、光源、傳感器，其主要功能就是通過嵌入在垃圾桶頂部的攝像頭對投入的垃圾進行拍攝，完成圖像采集工作。圖像處理系統就是通過樹莓派啟動圖像識別功能，將拍攝下來的數據信息發送到樹莓派設備中進行垃圾識別，如果投入的垃圾沒有識別出來，則垃圾桶會出現報警聲音，提示不可識別，讓人主動設置垃圾的分類[3]。如果通過圖像數據已經分析出垃圾類別，則啟動垃圾分類系統。垃圾分類系統主要由分類的垃圾桶、樹莓派、舵機等構成，系統功能就是分類系統中機械控制器發出指令給相應的隔板，隔板打開后垃圾就投入到對應的垃圾分類桶中，實現垃圾的自動分類的過程。控制系統就是通過指令控制攝像頭對垃圾進行拍攝，完成圖像的采集，再將采集的信息處理、量化為數字信號，并把垃圾圖像信息發送到垃圾識別系統中進行分析，并將分析的結果傳輸給垃圾分類系統，分類系統再對機械控制發出信息指令，打開相應的垃圾倉門，將垃圾投放到指定的垃圾分類桶中，實現垃圾分類的控制和協調工作。

4 技術突破創新

4.1 智能垃圾桶的感應系統

首先可以利用紅外探測儀智能檢測垃圾桶檢測內垃圾的存儲容量，可以判斷垃圾是否裝滿，如果垃圾裝潢后，垃圾桶將會發出提醒信息，提示垃圾已經裝滿，請用戶盡快處理。其次是紅外傳感器可以檢測是否有垃圾靠近，保障垃圾桶蓋在用戶扔垃圾時能自動打開桶蓋。還有設計垃圾桶時還有溫控感應系統，能夠及時檢測垃圾桶內的溫度，如果一旦檢測垃圾桶內的溫度超標，將會發出報警系統提醒人們垃圾桶可能有火災隱患，要及時查看垃圾桶的內容狀況[4]。另外垃圾桶中還設置有煙霧感應模塊，如果垃圾桶內有煙霧出現，感應器就會把測到的煙霧變成危險信息傳遞給控制系統，將發出煙霧報警[5]。

4.2 垃圾桶外部設計

垃圾桶內設置活性炭，可以吸附垃圾散發出來的異味，減少家庭里垃圾異味散發，另外垃圾桶在外觀設計中強調垃圾桶的密封性，防止垃圾味傳出來。垃圾桶的電源供應可以是多種方式，一種是直接連接電源插座，也可以安裝鋰電池，還可太陽能電池板，實現綠色環保的垃圾桶。

4.3 手動設置垃圾分類系統

在垃圾分類系統中，已經提前輸入了一些常見的垃圾圖片，并且進行了垃圾分類，但是總是會遇到一些數據庫中沒有的垃圾，家庭智能分類垃圾桶可以根據以前的分類方法給出一個垃圾分類的建議，也可以用戶自己設置垃圾的分類并存儲到數據庫中，還可以修改垃圾的分類。

5 結束語

隨著城鎮化的進程不斷發展，每天產生巨大的生活垃圾已經影響到我們的生活環境，人們也意識到要垃圾分類的重要性，垃圾分類可以督促人們守護資源、愛護生活家園、保護環境的意識，讓廚余垃圾變廢為寶成為有機肥料，對可回收的垃圾進行回收再利用，減少資源的浪費。每個人都要認識到垃圾分類關系到我們每一個人的生活，為了保護環境，為了拉高垃圾分類的效率，減輕環衛工人的工作壓力，垃圾分類人人有責。智能分類垃圾桶將大數據、互聯網、人工智能等先進的科技應用到家庭垃圾分類中，方便了家庭生活，人們不用再為如何進行垃圾分類而發愁，它的設計符合社會發展需要，也滿足了個人的需求，不僅使我們家庭生活環境更加美好，還促進了資源回收利用，在當今綠色環保時代，家庭智能分類垃圾桶進入每一個家庭將會成為社會發展的趨勢。