一種基于“圖像+”的智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)

劉美華 傅彩明 劉進(jìn) 寧順興 唐曉天

摘要：根據(jù)第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中“智能分類垃圾桶”要求，該文設(shè)計(jì)并制作了一種基于K210視覺模塊進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的智能分類垃圾桶。在模擬環(huán)境和競(jìng)賽環(huán)境下，對(duì)該設(shè)計(jì)檢測(cè)分類精準(zhǔn)度進(jìn)行多次測(cè)試，該智能分類垃圾桶擁有98.7%的平均正確識(shí)別率，且識(shí)別時(shí)間短，同時(shí)具備滿載報(bào)警功能，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾分類過程的高效化與智能化，有助于降低城市垃圾源頭處理成本。

關(guān)鍵詞：?圖像+??智能分類垃圾桶??K210視覺模塊??分類精準(zhǔn)度

中圖分類號(hào)：TN929.5???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

生活垃圾分類對(duì)于城市良好生活環(huán)境的建立和資源最大化利用具有重要義。一方面，部分可回收垃圾得以循環(huán)利用、資源再生，給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三方面帶來共贏的局面;另一方面，部分不可回收垃圾也得以正常處置，最大限度地減低環(huán)境污染情況。

然而，目前中國居民普遍存在垃圾分類意識(shí)薄弱、垃圾分類知識(shí)掌握不足的問題，導(dǎo)致垃圾分類不徹底甚至不分類垃圾，給后續(xù)的垃圾處理帶來巨大的困難。盡管各個(gè)城市也都采取了各種獎(jiǎng)懲措施來推動(dòng)垃圾分類，但是從實(shí)際執(zhí)行的過程及效果來看，并沒有達(dá)到預(yù)期。因此，如何從源頭上解決垃圾分類問題是我們亟待解決的問題[1-3]。

該文從家庭源頭分類出發(fā)，利用視覺圖像技術(shù)和K210平臺(tái)，并結(jié)合分類機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款家用智能分類垃圾桶樣機(jī)。通過多次實(shí)驗(yàn)表明，該垃圾桶能對(duì)所投垃圾進(jìn)行智能識(shí)別并分類入桶，可有效代替人為分類，提高城市居民生活垃圾分類的執(zhí)行率。

1整體設(shè)計(jì)

根據(jù)第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽內(nèi)容，所設(shè)計(jì)的智能分類垃圾桶應(yīng)該具有以下功能：智能垃圾桶應(yīng)能正確識(shí)別所投放的垃圾屬于“可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾”四類中的哪一類，并自動(dòng)投入到對(duì)應(yīng)的垃圾桶中;投放垃圾時(shí)界面能實(shí)時(shí)顯示所投垃圾種類名稱、投放數(shù)量、任務(wù)是否完成等;當(dāng)垃圾桶存放容量達(dá)到垃圾桶總?cè)萘康?0%及以上時(shí)，界面顯示滿載并報(bào)警提示。

2?機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能分類垃圾桶由四部分組成：整體框架、投放裝置、識(shí)別機(jī)構(gòu)、垃圾桶等，其機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖如圖1所示[4-5]。整體框架主要由鋁材方管、角件以及螺釘、螺母等搭建完成，分為上下兩層。其中，上層主要用于固定單片機(jī)、攝像頭、傳感器、顯示屏、電池等設(shè)備;下層的主要功能是固定垃圾桶和投放裝置。同時(shí)，為了提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率，降低環(huán)境光線影響，箱體上層四周用亞克力材質(zhì)的板子做遮光處理，并在內(nèi)部安裝環(huán)繞四周的LED燈條。頂蓋用荷葉固定，雙向打開，一側(cè)用于檢查和維修電路，另一側(cè)用來觀察和調(diào)整垃圾桶放過程中投放裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

垃圾桶的底部裝在一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)上，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)將帶動(dòng)4個(gè)垃圾桶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)視覺識(shí)別裝置識(shí)別出相應(yīng)的垃圾后，垃圾桶則旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。

投放裝置為托盤結(jié)構(gòu)，下端連有二自由度舵機(jī)，驅(qū)動(dòng)投放裝置做俯仰運(yùn)動(dòng)完成垃圾投放的動(dòng)作。

3?智能分類垃圾桶軟硬件系統(tǒng)

3.1視覺系統(tǒng)K210

垃圾分類的核心是圖像的處理和識(shí)別[6]。不同類型的垃圾具有不同類型的特征，K210首先根據(jù)垃圾的形狀、顏色、大小等特點(diǎn)，對(duì)大量圖片進(jìn)行學(xué)習(xí)，獲取其特征，并自動(dòng)將學(xué)習(xí)過的圖片進(jìn)行存檔保存并建立數(shù)據(jù)庫。當(dāng)使用的時(shí)候，對(duì)投入的垃圾與數(shù)據(jù)庫中學(xué)習(xí)過的垃圾進(jìn)行一一對(duì)比，將對(duì)比相似系數(shù)最高的那一類輸出至單片機(jī)系統(tǒng)。

3.2單片機(jī)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)選用型號(hào)為STC89C52RC的單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理中心。作為整個(gè)系統(tǒng)的控制大腦，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)垃圾桶旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的投放口，并且將超聲波傳感器檢測(cè)的距離傳輸讀取，進(jìn)行滿載提示等。

3.3?智能分類垃圾桶元器件清單表

3.4?智能分類垃圾桶電氣原理圖

4?智能分類垃圾桶視覺程序編寫

4.1?圖片學(xué)習(xí)方法

第一步：數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換。首先，對(duì)需要識(shí)別的垃圾要拍攝大量圖片，然后存儲(chǔ)于一個(gè)?example?文件夾，文件夾中文件命名只能為英文。然后，將圖片分辨率調(diào)整為?224×224?格式。

第二步：上傳數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練。首先，獲取機(jī)器碼。機(jī)器碼是通過將一個(gè)固件下入?Maix?bit?或者其他?Sipeed?的?K210?獲得。然后，查看獲取的機(jī)器碼。打開串口調(diào)試器，輸入連接參數(shù)，查看機(jī)器碼。最后，打開?MaixHub?訓(xùn)練平臺(tái)，填入自己的郵箱和剛剛獲得的機(jī)器碼，選擇分類目標(biāo)識(shí)別，上傳數(shù)據(jù)集，也就是剛剛的*.ZIP?格式文件，點(diǎn)擊開始訓(xùn)練。

第三步：下載并運(yùn)行訓(xùn)練結(jié)果。訓(xùn)練完成，訓(xùn)練結(jié)果會(huì)發(fā)送到填寫的郵箱中，下載壓縮包，解壓后比較重要的有以下三個(gè)文件：第一個(gè)文件?boot.py?是測(cè)試代碼，第二個(gè)文件?labels.txt?是種類，第三個(gè)文件?m.kmodel?是模型文件。接下來將上面所有文件下載入?U盤中，用Maixpy?IDE?打開boot.py，用數(shù)據(jù)線連接開發(fā)板，運(yùn)行腳本，即可看到分類效果

4.2程序編寫

視覺程序編寫依照不同的分類識(shí)別編寫程序，如果為四種垃圾的話，將對(duì)三個(gè)輸出口進(jìn)行輸出，輸出的信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別。例如：視覺模塊上硬件接線的三個(gè)端口分別是12、13、14。則可以設(shè)定為：1為輸出，0為不輸出，規(guī)則表見表2所示。最后，在程序中將檢測(cè)的結(jié)果通過以上表格的數(shù)據(jù)排列輸出。

5?智能分類垃圾桶單片機(jī)程序編寫

5.1接收視覺傳輸過來的信號(hào)并處理信號(hào)

將視覺三個(gè)端口傳輸過來的信號(hào)作IF、Then函數(shù)，并且定義通道。單片機(jī)控制視覺程序主片段如圖3所示。

5.2旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)與舵機(jī)

根據(jù)定義的視覺信號(hào)通道，對(duì)識(shí)別出來的垃圾分類做出相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，該信號(hào)將原先設(shè)置好的PWM脈沖波形長度傳輸?shù)讲竭M(jìn)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器再通過細(xì)分調(diào)節(jié)輸送至步進(jìn)電機(jī)，并且旋轉(zhuǎn)角度正確。在步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正確后，也就說明垃圾桶已經(jīng)到達(dá)相對(duì)應(yīng)的位置，然后將托盤下的舵機(jī)向右旋轉(zhuǎn)90°，帶動(dòng)托盤上面的垃圾倒至相對(duì)應(yīng)的垃圾桶中。具體程序略。

5.3滿載檢測(cè)

垃圾滿載利用超聲波模塊檢測(cè)。超聲波傳感器是利用波形掃描測(cè)試距離，根據(jù)發(fā)出信號(hào)和接收回來信號(hào)的時(shí)間不一樣，進(jìn)行測(cè)試距離。當(dāng)垃圾桶中的垃圾達(dá)到了80%的位置時(shí)，系統(tǒng)將認(rèn)為此垃圾桶已經(jīng)滿載，并且發(fā)出信號(hào)。具體程序略。

6?實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

1. 在實(shí)驗(yàn)中對(duì)以下幾種常見的生活垃圾采集數(shù)據(jù)集并進(jìn)行訓(xùn)練。?可回收垃圾：牛奶盒、易拉罐、礦泉水瓶等;廚余垃圾：香蕉皮、蘋果塊、菜葉、橘子皮、辣椒等;有害垃圾：電池（1、2、5、7號(hào)）、醫(yī)用棉簽、樟腦丸等;其他垃圾：陶瓷片、磚瓦片、煙頭等。?

（2）根據(jù)垃圾種類，隨機(jī)抽選以上四類垃圾中的10件，依次放入垃圾桶中，記錄分類識(shí)別的準(zhǔn)確率和識(shí)別時(shí)間。

（3）對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行記錄，如表3所示。

從多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得出，智能分類垃圾桶對(duì)可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾的識(shí)別平均正確率可達(dá)有98.7%，并在湖南省第六屆大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽中榮獲省級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

7?結(jié)語

針對(duì)目前家庭垃圾分類不徹底甚至不分類的現(xiàn)實(shí)問題，該文設(shè)計(jì)一種基于K210視覺模塊進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的智能分類垃圾桶，旨在賦予機(jī)器視覺功能，幫助或者有效代替人為分類，實(shí)現(xiàn)垃圾分類過程的高效化與智能化。從多次測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該智能分類垃圾桶識(shí)別率高，識(shí)別時(shí)間短，兼具滿載報(bào)警功能，符合設(shè)計(jì)初衷，有助于緩解垃圾圍城的困境，降低城市垃圾源頭處理成本。

參考文獻(xiàn)

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