基于多探頭并行識別模式的光伏智能垃圾分類系統

顧裕華 張穎 徐帥杰 宋曉敏 黃增光

（江蘇海洋大學理學院 江蘇連云港 222005）

2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。”為實現這一宏偉目標，需要通過大力發展新能源、構建節約型社會、發展CCUS（碳捕捉、封存和利用）技術等降低二氧化碳的排放，才能更早實現碳達峰和碳中和。光伏發電與垃圾分類兩大技術結合能很好地契合節能減排需求。

光伏發電技術具有可再生、儲量豐富、低碳、環保無污染、建筑兼容性強、安裝方便等眾多優勢，是實現碳達峰和碳中和的重要技術之一。垃圾分類技術可以有效地節約資源和降低碳排放，這已是人類共識。就我國每年垃圾的增長量來看，2015 年、2020 年城市垃圾產量分別達2.6 億t 和3.23 億t，全國垃圾產量將以每年8%～10%的速度增長［1］。廚余垃圾與其他垃圾沒有分類也將給后續垃圾的處理工作造成困難。能夠提供一種準確、成本低且快速便利的垃圾分類系統對日常垃圾的分類將起到不容小視的作用。而城市垃圾有兩大來源——工業與農業，除了在生產地的處理處置和自循環以外，工業產品和農業產品中的大部分都將進入城市范疇來消費，廢物需要得到妥善處置。而進入生活垃圾范疇的，則需要通過環衛系統來幫助分離和收集，垃圾自動分類就顯得尤為重要［2］。

因此，建立一套零能耗、精準識別的垃圾自動分類系統是非常必要的，它能實現24 h 無人值守自動垃圾分類，成為人工分類的重要輔助手段。目前市場上存在的垃圾自動分類系統均利用國家電網給垃圾處理裝置提供電力，因此有部署地域受限、需要外部供電等不足。本文采用的光伏發電技術能夠解決在垃圾分類時所需要消耗的能源問題，做到在“零能耗”基礎下仍有余電供市民使用的便捷功能；同時，利用深度學習的神經網絡模型實現垃圾自動分類的精準識別。圖1 為系統整體實物圖。

圖1 系統整體實物圖

1 智能垃圾分類系統的機械設計

分類系統運行過程中，依靠機電傳動完成分類工作，其中包括傳送帶以及舵機推板。由傳送帶帶動垃圾進入圖像獲取區、識別分類區。傳送帶依靠直流減速電機帶動，即齒輪減速電機，電壓12 V，轉速為60 r/min，由齒輪、軸承、蝸輪、蝸桿、主磁極、換向極、機座、電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸、電刷裝置組成。舵機推板則根據系統識別結果將垃圾分類投放。本設計采用舵機推板作為垃圾識別結果的輸出執行機構，當系統成功識別垃圾后，由樹莓派控制舵機反轉，平推推板，從而將垃圾推入垃圾桶。

2 智能垃圾分類系統的構成

智能垃圾分類系統由4 個子系統構成：光伏供電子系統、垃圾分散子系統、多探頭并行識別子系統、智能化工作子系統。智能垃圾分類系統將太陽能轉化成電能，獨立為系統供電，將多個垃圾分散后，依次進行識別分類。同時通過STM32控制的多個傳感器及液晶屏幕實現系統的智能化工作。

3 智能垃圾分類系統的設計

3.1 光伏供電子系統的設計

光伏供電子系統采用離網式光伏系統，光伏充足情況下，可以完全獨立地給整個分類系統供電，無需外部電源。

離網式光伏系統由太陽能充放電控制器、蓄電池組、逆變器、直流負載和交流負載、太陽能電池板等構成［3］。在有光照的情況下，通過太陽能電池板組成的光伏陣列將太陽輻射能轉換為電能，經由充放電控制器對光伏陣列所發的直流電進行調節和控制，儲存于蓄電池組中，利用逆變器將蓄電池組的直流電轉換為恒壓直流與交流電。無光照時，通過太陽能充放電控制器調節蓄電池組為負載和獨立逆變器供電［4］。

3.2 垃圾分散子系統的設計

為了確保分類系統實用性，系統執行的第一步是對多個垃圾的分散，通過脈沖寬度調制（PWM）的分散盤實現。

脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，根據相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS 管柵極的偏置［5］，實現晶體管或MOS 管導通時間的改變，從而實現開關穩壓電源輸出的改變，可表現為直流電機轉速可控。通過控制直流電機構成的旋轉臺以恒定的速度梯度進行由慢到快的轉動，利用各類垃圾具有不同的相對密度、旋轉半徑和外表面摩擦系數這些特性，使得不同垃圾在旋轉臺上所受到的徑向合力不同，繼而從旋轉臺上掉落的順序不同，實現分散。

3.3 多探頭并行識別子系統的設計

多探頭并行識別子系統是智能垃圾分類系統的核心部分，由樹莓派主控，搭載卷積神經網絡模型控制舵機推板完成分類。其運行原理如圖2 所示。

圖2 系統運行原理圖

在傳送帶上方，本設計部署有4 個紅外對管、4 個攝像探頭、4 個舵機推板。它們由同一個樹莓派多線程控制，紅外對管①、探頭A、舵機a 為一組分類區間，紅外對管②、探頭B、舵機b 為一組分類區間……依次類推。在同一組中，紅外對管用作檢測垃圾進入；探頭拍照獲取圖像供神經網絡模型分析識別［6］；樹莓派控制舵機根據識別結果，判斷舵機推板工作將垃圾推入垃圾桶，或不工作讓垃圾進入下一組分類區間。

經過垃圾分散子系統工作后，多個垃圾分散為單個垃圾依次進入傳送帶。以一個垃圾的識別分類過程為例，展開詳細描述：傳送帶帶動垃圾前進，來到第一個分類區間口。紅外對管若未感應到障礙物時，保持程序初始化；當紅外對管感應到障礙物，即垃圾開始進入圖像獲取區，感應障礙物消失即垃圾完全進入圖像獲取區。紅外對管的對射被擋住時，即向樹莓派發送低電平信號，對射恢復即恢復高電平［7］。把一次完整的感應從出現到消失作為程序判斷條件，當條件符合時，停頓1 s后，樹莓派控制USB 攝像頭對下方區域進行拍照。樹莓派搭載的卷積神經網絡模型對圖像進行分析識別。

本設計經實測選出網絡復雜度低、計算消耗小的預訓練模型inceptionV3，通過對模型的全連接、卷積、池化層整體結構進行優化，實現圖像高精確度識別，最終部署在移動式設備樹莓派端。當攝像頭檢測到垃圾時，獲取垃圾圖像，運行卷積神經網絡，提取垃圾表面特征，進行匹配識別，依據識別結果控制舵機運動實現自動分類。

同時，本設計采取多探頭并行識別模式，流程分析如圖3所示。在第一組中僅判斷垃圾是否為干垃圾；第二組僅判斷垃圾是否為可回收垃圾；第三組僅判斷垃圾是否為濕垃圾；第四組僅判斷垃圾是否為有害垃圾。以此模式，加快分析識別速度，并且在垃圾依次進入分類區間時，各組能夠同時獨立工作互不影響。

圖3 系統運行具體流程圖

3.4 智能化工作子系統的設計

除智能垃圾分類系統的主體功能之外，本設計還通過STM32 控制各傳感器以及液晶屏幕，來完成系統的智能化工作。

本設計在各垃圾桶內，分別部署溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11，實時地將垃圾桶內溫濕度數值呈現在液晶屏幕TF LCD 上。當垃圾桶內溫度過高時，STM32 給繼電器低電平信號來控制半導體制冷片開始工作，來對垃圾桶降溫，以起到防腐防異味的作用。

同時在垃圾桶內還部署有壓力傳感器HX711，實時地將各垃圾桶內垃圾重量呈現在液晶屏幕上［8］。當重量到達一定數值，STM32 控制液晶屏幕呈現警報動畫，來提醒管理者及時回收垃圾。

4 結語

本文將光伏發電與自動垃圾分類技術進行結合，設計了基于多探頭并行識別模式的光伏智能垃圾分類系統，該系統由4 個子系統構成：光伏供電子系統、垃圾分散子系統、多探頭并行識別分類子系統、智能化工作子系統。通過各個子系統的設計、安裝、調試和優化，該系統完全實現零能耗下垃圾資源的自動、快速、高效分類，達到節能減排目的。在國家“雙碳”目標背景下，本光伏智能垃圾分類系統為碳中和解決方案提供了一種積極而有益的示范。期望本光伏智能垃圾分類系統能夠廣泛應用到居民生活中，完善我國垃圾分類的體系，為碳排放事業做出貢獻。