基于樹(shù)莓派的智能分類(lèi)垃圾桶

王 楠 趙 驥 趙 彪 劉天奇

（遼寧科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院，遼寧 鞍山114051）

1 概述

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們不僅在科學(xué)技術(shù)方面有著飛一般的進(jìn)步，在衣食住行方面也有著質(zhì)的提高。伴隨著人們?cè)谏a(chǎn)生活方面快速發(fā)展的同時(shí)，產(chǎn)生的廢品垃圾也隨之增多，垃圾堆積不僅對(duì)環(huán)境有所污染，對(duì)我們寶貴的土地也是一種浪費(fèi)。如若對(duì)垃圾進(jìn)行規(guī)范的分類(lèi)，將可回收的垃圾進(jìn)行有效的回收，這樣可以減少對(duì)土地資源的浪費(fèi)，有效的保護(hù)環(huán)境，減少對(duì)環(huán)境的污染，還可以節(jié)約資源，減少不必要的浪費(fèi)。自從全國(guó)開(kāi)始實(shí)施垃圾分類(lèi)政策，垃圾分類(lèi)成為了處理垃圾流程中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是各級(jí)政府倡導(dǎo)并推行的工作。然而由于人們的垃圾分類(lèi)意識(shí)不夠以及垃圾桶配置設(shè)施的不完善，沒(méi)能達(dá)到真正的垃圾分類(lèi)。為解決處理垃圾流程中垃圾分類(lèi)這一基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在此設(shè)計(jì)了智能分類(lèi)垃圾桶，使其可以自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)，一方面可以幫助人們對(duì)垃圾分類(lèi)的困擾，另一方面還可以降低人們對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)的成本，還可以提高對(duì)垃圾分類(lèi)的處理效率。

2 智能分類(lèi)垃圾桶介紹

常見(jiàn)的傳統(tǒng)垃圾桶是通過(guò)放置不同顏色的垃圾桶以代表對(duì)應(yīng)不同類(lèi)別的垃圾，由于人們?nèi)永鴷r(shí)對(duì)垃圾的類(lèi)別不是非常清楚，或是習(xí)慣性的只扔進(jìn)一個(gè)垃圾桶中，這樣就有可能導(dǎo)致可回收的垃圾進(jìn)入了不可回收的垃圾桶中，或者是不可回收的垃圾錯(cuò)誤的進(jìn)入了可回收垃圾桶中，這樣不僅造成了對(duì)可回收垃圾的資源浪費(fèi)，還增加了工作人員對(duì)可回收垃圾進(jìn)行回收時(shí)的工作量。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同垃圾進(jìn)行高效分類(lèi)處理，設(shè)計(jì)了智能分類(lèi)垃圾桶對(duì)垃圾進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。智能分類(lèi)垃圾桶將高效的、進(jìn)一步優(yōu)化的原來(lái)利用人力進(jìn)行垃圾分類(lèi)操作轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)自動(dòng)的對(duì)垃圾進(jìn)行智能分類(lèi)操作，該智能分類(lèi)垃圾桶在內(nèi)補(bǔ)放置了不同種類(lèi)的垃圾分桶，通過(guò)嵌入在垃圾桶頂部的攝像頭對(duì)放入智能分類(lèi)垃圾桶里轉(zhuǎn)動(dòng)隔板上的的垃圾進(jìn)行拍攝，將拍攝下來(lái)的圖像傳入樹(shù)莓派設(shè)備中進(jìn)行檢測(cè)，分析出垃圾所屬何種垃圾類(lèi)別的程度并判斷出垃圾應(yīng)歸為哪一類(lèi)，接下來(lái)將垃圾送到自動(dòng)分類(lèi)系統(tǒng)層，分類(lèi)系統(tǒng)通過(guò)控制轉(zhuǎn)動(dòng)隔板實(shí)現(xiàn)將垃圾投入到指定對(duì)應(yīng)垃圾類(lèi)別的垃圾桶中，垃圾桶蓋自動(dòng)打開(kāi)，垃圾順利進(jìn)入垃圾桶中。這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大減少了人工對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)所需的勞動(dòng)力，既提高了垃圾分類(lèi)的準(zhǔn)確性，還可以更進(jìn)一步有效的對(duì)可回收垃圾進(jìn)行回收再利用，以此實(shí)現(xiàn)了節(jié)約與環(huán)保。

3 結(jié)構(gòu)功能介紹

智能分類(lèi)垃圾桶的系統(tǒng)主要由可進(jìn)行識(shí)別垃圾類(lèi)別的嵌入式主動(dòng)控制與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類(lèi)控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，系統(tǒng)選用了常用的嵌入式設(shè)備樹(shù)莓派作為實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備。在智能分類(lèi)垃圾桶本體內(nèi)部安裝有圖像識(shí)別模組、壓感模組、控制器和傾倒隔板等?；趯?duì)常用垃圾桶的改造，現(xiàn)將智能分類(lèi)垃圾桶合理準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)成垂直結(jié)構(gòu)的分類(lèi)式機(jī)械式結(jié)構(gòu)。為充分的利用普通垃圾桶內(nèi)部的空間，提升垃圾分類(lèi)的效率，對(duì)智能分類(lèi)垃圾桶的自上至下模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：嵌入式樹(shù)莓派設(shè)備層、投入隔板、轉(zhuǎn)動(dòng)隔板層、分類(lèi)系統(tǒng)層、分類(lèi)桶。為能夠準(zhǔn)確的識(shí)別垃圾所屬類(lèi)別，本系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)在嵌入式樹(shù)莓派設(shè)備中穩(wěn)定高效地運(yùn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建與訓(xùn)練均是通過(guò)電腦端實(shí)現(xiàn)，訓(xùn)練是采用GPU 為RTX2080 上完成的，數(shù)據(jù)集為6 類(lèi)垃圾，共計(jì)約3000 張圖片。經(jīng)訓(xùn)練后測(cè)得準(zhǔn)確率大約為百分之九十五左右，再將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遷移到嵌入式樹(shù)莓派設(shè)備上，最后在樹(shù)莓派中進(jìn)行模型的細(xì)微優(yōu)化。樹(shù)莓派判斷出結(jié)果后，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)將垃圾投入對(duì)應(yīng)的區(qū)域中，準(zhǔn)確高效的實(shí)現(xiàn)了垃圾的分類(lèi)。

3.1 圖像識(shí)別層

智能分類(lèi)垃圾桶可以識(shí)別是否有人經(jīng)過(guò)，若有人經(jīng)過(guò)垃圾桶旁，系統(tǒng)將會(huì)打開(kāi)投入隔板，此時(shí)若沒(méi)有人投入垃圾到垃圾桶內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)隔板，攝像頭未獲取到垃圾圖像，投入隔板將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，若有人將垃圾投入到智能分類(lèi)垃圾桶的轉(zhuǎn)動(dòng)隔板上時(shí)，樹(shù)莓派首先會(huì)控制轉(zhuǎn)動(dòng)隔板保持平衡，以防止投入的垃圾下落到某個(gè)垃圾分桶中，隨后將會(huì)啟動(dòng)嵌入在樹(shù)莓派的攝像頭對(duì)投入的垃圾進(jìn)行識(shí)別。在進(jìn)行垃圾識(shí)別的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)初步判斷投入的垃圾是否可以識(shí)別，如果投入的垃圾沒(méi)有被識(shí)別出來(lái)，則相應(yīng)的會(huì)在下一層的系統(tǒng)中落入到分桶是其它類(lèi)的垃圾桶中。若投入的垃圾可以識(shí)別出來(lái)，則將通過(guò)遷移學(xué)習(xí)進(jìn)行判斷垃圾的具體所屬類(lèi)別，將獲取到的垃圾圖像經(jīng)由訓(xùn)練好參數(shù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)算，判斷出可識(shí)別的垃圾最終對(duì)應(yīng)的垃圾類(lèi)別。目前垃圾類(lèi)別的代號(hào)共計(jì)6 類(lèi)，分別由數(shù)字0-5 表示，在對(duì)傳入的圖像進(jìn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算后，便可以得知此類(lèi)垃圾對(duì)應(yīng)的類(lèi)別代號(hào)。在判斷完垃圾的類(lèi)別后，系統(tǒng)將緊接著控制分類(lèi)系統(tǒng)層的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置旋轉(zhuǎn)智能分類(lèi)垃圾桶的轉(zhuǎn)動(dòng)隔板，使其旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)內(nèi)部垃圾分桶的桶蓋上方，控制轉(zhuǎn)動(dòng)隔板的一邊有幅度的傾斜，實(shí)現(xiàn)將垃圾投入到對(duì)應(yīng)的垃圾分桶中。

3.2 分類(lèi)系統(tǒng)層

經(jīng)過(guò)圖像裝置檢測(cè)出垃圾的所屬類(lèi)別，由于垃圾桶本體內(nèi)根據(jù)不同類(lèi)別的垃圾設(shè)有不同種類(lèi)的垃圾分桶，則需要明確投入到垃圾桶內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)隔板上的垃圾是什么類(lèi)型垃圾，應(yīng)該對(duì)應(yīng)的進(jìn)入到哪類(lèi)分桶中。此時(shí)樹(shù)莓派設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)的控制器將發(fā)送翻轉(zhuǎn)安裝于智能分類(lèi)垃圾桶內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)隔板，命令轉(zhuǎn)動(dòng)隔板進(jìn)行有方向有角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)隔板，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)到此類(lèi)別垃圾對(duì)應(yīng)的垃圾分桶上方以后，樹(shù)莓派設(shè)備將進(jìn)一步通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)垃圾分桶的桶蓋自動(dòng)打開(kāi)，垃圾進(jìn)入對(duì)應(yīng)的垃圾分桶中。在智能分類(lèi)垃圾桶內(nèi)部分桶的頂部安裝有紅外探測(cè)頭，用來(lái)判斷此垃圾分桶內(nèi)的垃圾是否裝滿，若某個(gè)垃圾分桶內(nèi)部裝滿了垃圾，系統(tǒng)將有所顯示，告訴人們對(duì)應(yīng)的這一垃圾分桶內(nèi)的垃圾已滿，應(yīng)該及時(shí)對(duì)其進(jìn)行清理。

3.3 分類(lèi)桶

生活中我們常見(jiàn)的垃圾桶類(lèi)型不一，在日常生活中我們常見(jiàn)的垃圾桶類(lèi)型一般均為長(zhǎng)方形，但是在智能分類(lèi)垃圾桶中，為了對(duì)整個(gè)垃圾桶的內(nèi)部空間充分利用以及更順利的實(shí)現(xiàn)其智能分類(lèi)功能，我們?cè)O(shè)計(jì)的分類(lèi)垃圾桶類(lèi)型為圓柱形，在整個(gè)垃圾桶的下層空間設(shè)置為各個(gè)分桶，即在整個(gè)圓形的垃圾桶內(nèi)部設(shè)有多個(gè)隔板，通過(guò)多個(gè)隔板形成了幾類(lèi)具體類(lèi)別垃圾的分桶，每個(gè)分桶代表著裝不同類(lèi)別的垃圾。目前設(shè)置的分桶收集的垃圾類(lèi)型如下六類(lèi)：硬紙板類(lèi)、玻璃類(lèi)、金屬類(lèi)、紙類(lèi)、塑料類(lèi)、其他垃圾類(lèi)。垃圾桶的下方由舵機(jī)控制垃圾桶上方的轉(zhuǎn)動(dòng)隔板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)經(jīng)過(guò)圖像識(shí)別出垃圾的種類(lèi)后，系統(tǒng)將通過(guò)一系列操作將垃圾投入到不同類(lèi)別的垃圾分桶中，對(duì)垃圾桶內(nèi)設(shè)置的隔板所圍成的不同分桶的內(nèi)部涂上不同的顏色，在不同顏色的分桶內(nèi)壁標(biāo)注出此分桶內(nèi)所裝垃圾的類(lèi)別，以便于工作人員在進(jìn)行清理垃圾桶時(shí)可以更加清楚、快速的知道每個(gè)垃圾分桶是對(duì)應(yīng)的何種垃圾類(lèi)別，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類(lèi)別的垃圾的便捷回收。

3.4 垃圾圖像識(shí)別過(guò)程

當(dāng)有垃圾放在垃圾桶的傾倒隔板時(shí)，嵌入在樹(shù)莓派上的攝像頭將對(duì)放入的垃圾進(jìn)行拍攝，拍攝下來(lái)的圖片通過(guò)遷移學(xué)習(xí)來(lái)判斷此垃圾的所屬類(lèi)別，進(jìn)而通過(guò)由訓(xùn)練好參數(shù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)算，判斷出此垃圾最終的垃圾所屬類(lèi)別。我們?cè)谶@里所設(shè)置有的垃圾種類(lèi)數(shù)據(jù)集為6 類(lèi)，下面是對(duì)投入6 類(lèi)中的一種紙張類(lèi)垃圾的識(shí)別過(guò)程。

圖1 紙張類(lèi)垃圾圖像

圖2 圖像識(shí)別結(jié)果

如圖1 所示，我們將此紙張類(lèi)的垃圾放入垃圾桶的傾倒隔板，當(dāng)嵌入在樹(shù)莓派的攝像頭對(duì)此垃圾進(jìn)行拍攝后，系統(tǒng)就會(huì)對(duì)拍攝下來(lái)的紙張類(lèi)垃圾圖像進(jìn)行識(shí)別。如圖2 所示，是對(duì)傳入的垃圾圖片的識(shí)別過(guò)程，經(jīng)過(guò)這一操作流程后最終可以判斷出垃圾的種類(lèi)，起到了智能分類(lèi)的作用。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)選用體積相對(duì)較小、成本相對(duì)低廉，并且在操作上十分簡(jiǎn)單的樹(shù)莓派設(shè)備作為硬件，并基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)。通過(guò)將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)移植到嵌入式設(shè)備樹(shù)莓派中，實(shí)現(xiàn)了具有準(zhǔn)確識(shí)別垃圾種類(lèi)功能的核心嵌入式主控功能。通過(guò)嵌入樹(shù)莓派設(shè)備中的攝像頭完成了對(duì)投入垃圾桶轉(zhuǎn)動(dòng)隔板上的垃圾進(jìn)行拍攝，采集拍攝圖像信息、存儲(chǔ)以及預(yù)處理，以此達(dá)到了可以自動(dòng)識(shí)別與分類(lèi)垃圾功能的目的。在現(xiàn)階段的市面上在對(duì)垃圾進(jìn)行收集過(guò)程的同時(shí)就完成垃圾分類(lèi)的垃圾桶數(shù)量甚少，通過(guò)此方案設(shè)計(jì)的基于樹(shù)莓派設(shè)備采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的智能分類(lèi)垃圾桶，不僅可以節(jié)省工作人員的勞動(dòng)力，而且也可以減少人們?cè)谌永鴷r(shí)對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)的困擾，并且大大的降低了采用傳統(tǒng)垃圾桶所造成資源浪費(fèi)的問(wèn)題，由此可見(jiàn)，智能分類(lèi)垃圾桶將對(duì)我們?cè)诶诸?lèi)工作上有很大的幫助。