一種基于樹莓派的新型智能多功用自動分類垃圾箱的設(shè)計與應(yīng)用分析

嚴達 黃思威

摘 要：面對中國經(jīng)濟已然由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段這個現(xiàn)實，實現(xiàn)碳達峰、碳中和是推動高質(zhì)量發(fā)展之路中的必然要求，綠色節(jié)能清潔成為了社會各界的發(fā)展轉(zhuǎn)型目標。做好垃圾分類，回收并重復(fù)利用材料，提高對環(huán)境資源的利用率，降低碳排放，助力3060雙碳目標的早日實現(xiàn)。面對社會上垃圾分揀的難點痛點，本文提出一種基于樹莓派的新型智能多功用自動分類垃圾箱，通過機械結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新優(yōu)化，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)泛化感知，實現(xiàn)垃圾智能分類，自動投放，滿載檢測等功能，該自動分類垃圾箱的設(shè)計方案具備可行性。

關(guān)鍵詞：垃圾投放;智能，創(chuàng)新設(shè)計;城市生活垃圾;

0 引言

進入20世紀以來，隨著經(jīng)濟和生活水平的快速提高，制造業(yè)作為支撐國民經(jīng)濟的主體，一方面為人類進步和發(fā)展，積累并創(chuàng)造巨大財富做出突出貢獻，另一方面也帶來了溫室效應(yīng)，資源耗竭等問題，如今實現(xiàn)“雙碳目標”已經(jīng)成為當下全球的關(guān)注熱點和創(chuàng)新熱點。以制造業(yè)的產(chǎn)品生命周期為例，期間需要經(jīng)歷設(shè)計，制造、包裝、運輸、使用和回收處理六大過程。在每一過程中伴隨著碳排放，而垃圾分類處理作為產(chǎn)品生命周期的最后一環(huán)，對于積極響應(yīng)雙碳目標，降低制造能源消耗，控制產(chǎn)品價值鏈間接排放有著重要意義。垃圾分類作為當今社會熱點問題，對垃圾的正確分類已經(jīng)成了中國當前發(fā)展的重大命題，對于幫助企業(yè)節(jié)能環(huán)保，減碳有著重要意義，同時有助于居民綠色環(huán)保理念的貫徹深入，重新構(gòu)建生活消費方式。對于當前市場上存在的垃圾分類裝置并不符合現(xiàn)代社會發(fā)展的需要，例如體積龐大，只適合在公共場合投放，民用普及率不夠高，使用和投放成本過高等特點。

經(jīng)過社會調(diào)查及研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的小型化更有利于垃圾分類的普及和推廣，所以我們在市場已有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上推出一種基于樹莓派的新型智能多功用自動分類裝置，利用其體積小，成本低的特點，易于大范圍推廣并應(yīng)用，在使用過程中可以充分發(fā)揮其性能，同時對于分類好的垃圾進行處理，通過滿載檢測對于垃圾情況實時掌握，減少細菌滋生，降低環(huán)境污染。目前本裝置的具體執(zhí)行機構(gòu)是擋板，無法處理類別不同的堆疊垃圾，對于單個垃圾或者同類別的可以實現(xiàn)自動識別和歸類收集。對于收集到各類垃圾做到物盡即用，滿足社會的可持續(xù)發(fā)展，助力雙碳目標的實現(xiàn)，便利人們的生活和出行方式。

1 分類裝置的工作流程設(shè)計

首先，由使用者將垃圾扔入待處理平臺，設(shè)備自身攜帶的CSi攝像頭進行識別與處理，通過建構(gòu)學習模型去識別垃圾的類別，同時識別過后將命令傳遞到舵機1去轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，同時反饋舵機2去轉(zhuǎn)動對應(yīng)的角度去完成二者之間的相互定位，在投放垃圾入桶之前，投放口的超聲波傳感器會對垃圾的滿載情況進行檢測，遇到滿載情況及時反饋到前端初始化，使得舵機3無法工作。當垃圾未滿載時，舵機3就會將垃圾推入所屬垃圾桶類。

2工作組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照系統(tǒng)的設(shè)計特點，一般有如下主要功能模組：將控制端分為主控制器和副控制器兩個主要部分，并選用樹莓派3B+和Arduino開發(fā)板分別作為一級開發(fā)板和二級開發(fā)板的主控芯片。樹莓派3B+實現(xiàn)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分類任務(wù)，Arduino負責進行滿載報警和分類動作的執(zhí)行。樹莓派作為主控制器，主要負責處理csi攝像頭傳回的圖像數(shù)據(jù)。利用AlexNet模型和圖像算法，對于圖像中垃圾物進行判斷，并將所得結(jié)果傳遞給 Arduino 控制器。Arduino作為副控制器，負責接收樹莓派處理后的垃圾物類別信息，并依據(jù)此信息去控制電機完成相應(yīng)的分揀動作。分類系統(tǒng)中傳感器主要由csi攝像頭和超聲波傳感器組成。攝像頭結(jié)合紅外補光燈，使得視野范圍更大，有助于獲取垃圾物的圖像;超聲波傳感器則通過測量垃圾桶內(nèi)儲存的實際污物總量，是否達到了垃圾桶容積的百分之七十五從而實現(xiàn)滿載報警。動作執(zhí)行部分主要是三部步進電機，步進電機通過PID控制算法，結(jié)合驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)電機的回轉(zhuǎn)方位和角度，使電機工作實現(xiàn)指定角度轉(zhuǎn)動以及投放口的準確重合。

3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的選擇

充分考慮了智能分類與垃圾識別設(shè)備的具體使用場合的特殊性，決定將圖像技術(shù)全面部署在低功耗、易于應(yīng)用的嵌入式平臺樹莓派3B+上。樹莓派存在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存較少且計算力較差，所以怎樣使用部署的深度學習網(wǎng)絡(luò)模塊就變得特別關(guān)鍵。經(jīng)過對比現(xiàn)有的各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，準確率較高的模型是LeNet-5、AlexNet、VGG、ResNet，因ALexNet運行效率快并且占用存儲空間少，故適合垃圾分類識別算法設(shè)計。

AlexNet在激活函數(shù)上選取了非線性非飽和的relu函數(shù)，并在雙gpu上運行，每個gpu負責一半網(wǎng)絡(luò)的運算，在relu層加入LRN，可形成某種形式的橫向抑制，從而提高網(wǎng)絡(luò)的泛華能力。池化方式采用overlapping pooling。通過八層卷積層運算提取圖片特征，并利用大量數(shù)據(jù)集進行測試，提高識別準確率。

4分類裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于分類裝置功能的實現(xiàn)分為垃圾桶主體、分類執(zhí)行機構(gòu)，殼體三大部分。使用Solidworks軟件對垃圾桶的機器硬件方案設(shè)計進行了構(gòu)建，機器架構(gòu)包括上、中、下三層，上層結(jié)構(gòu)包括垃圾投放口、蓄電池、樹莓派的開發(fā)板和攝像機頭;中層裝有機械傳動裝置，包含步進電機，電磁鐵、履帶行車底盤和固定底座;下層安裝四箱體，包含筒體。

4.1垃圾桶主體設(shè)計

垃圾桶主體選用截面為正方形的的筒體，便于后續(xù)的角度計算，減少垃圾分類的死角，提高分類效率。桶身材料采用塑料材料制成，面對分類對象的種類的復(fù)雜性，需要考慮到垃圾桶的耐腐蝕性，耐用性，經(jīng)濟實用型，塑料具備加工簡單，價格便宜，考慮到分類裝置的使用場景，塑料材料更多的適合室內(nèi)使用，對于投放在室外，桶身材料需要考慮抗老化的問題。對于單個桶身尺寸方面采取200*200*300的設(shè)置，符合市面上常規(guī)售賣的尺寸，符合家用需求。

4.2分類執(zhí)行機構(gòu)

分類執(zhí)行機構(gòu)作為垃圾分類的核心機構(gòu)，主要由底板、撥板、擋盤，三部步進電機構(gòu)成，對于執(zhí)行機構(gòu)的外形設(shè)置采取圓形設(shè)置，便于執(zhí)行機構(gòu)的定位，執(zhí)行，復(fù)位。底板與撥板之間采取同心軸連接，采用固定的交錯90角度相連，可以相互活動。動力來源于兩部獨立控制的步進電機，當重物放置在底板上時需要較大的扭矩去帶動，故中心軸和底板材料的結(jié)構(gòu)強度需要足夠高，考慮不銹鋼材料去應(yīng)用。撥板的運轉(zhuǎn)只發(fā)生在底板和擋盤的相互完成定位后，撥板逆時針轉(zhuǎn)動固定的90度，將待分類垃圾撥轉(zhuǎn)到相應(yīng)類別的垃圾桶。待完成撥轉(zhuǎn)后，自動復(fù)位到初始位置，與底板形成交錯角度，考慮撥板的應(yīng)用場景和使用環(huán)境，材料需要考慮剛度和耐磨性，以金屬材料為主。擋盤的主要作用是接受樹莓派傳遞的類別標簽，通過PID控制步進電機旋轉(zhuǎn)固定的角度達到標簽垃圾桶的上方，同時返回角度數(shù)值給底板提供旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)，便于定位，隨后撥板進行投放步驟，當本次操作完成時，自動復(fù)原，同時利用擋盤和底板的交錯角度達到密封的作用，保證分類垃圾之間不會進行異味的交織，對于擋盤的材料，我們選擇塑料件去制作擋盤，考慮到擋盤的耐腐蝕，抗老化等問題。

4.3殼體部分

殼體部分包括頂蓋，殼體，底座三個部分，更多的承擔的是縱向的載荷，為此殼體部分的高度不宜過高，防止重心過高的現(xiàn)象的發(fā)生，避免分類裝置傾倒。按照某市實行生活每立方米生活垃圾的重量壓縮前約為0.42噸進行計算。本分類裝置單桶容積12升，預(yù)計可以容納5.04kg重量的生活垃圾，四個分類桶預(yù)計可以容納20.16kg生活垃圾，這對于底座的承載能力提出了更高的要求，對于材料的強度和剛度有了更高的要求，對此殼體部分選用高密度聚乙烯和聚丙烯兩種塑料，做到經(jīng)濟性與實用性兼容。

5.控制邏輯的設(shè)計

5.1 Arduino控制設(shè)計

系統(tǒng)通電后，首先對于Arduino 控制器及其外設(shè)進行初始化，隨后將訓練好的深度學習模型導入到主控制器中，便于開展后續(xù)的垃圾物識別工作。樹莓派對于csi攝像頭發(fā)出指令，拍照，通過訓練好的深度學習模型判斷圖像中是否存在垃圾物，若不存在，等待下次拍照;若存在，則利用訓練好的深度學習模型進行分析處理，獲得當前圖像垃圾物的類別。并將處理結(jié)果發(fā)送至 Arduino 控制器，控制電機進行角度方向的旋轉(zhuǎn)，并完成投放。

5.2識別設(shè)計

此系統(tǒng)中攝像頭通過排線直接與樹莓派的csi接口連接，樹莓派通過對攝像頭的控制，對待檢測的垃圾物進行拍照，并將拍攝的照片與學習模型中的垃圾種類參數(shù)比較，從而獲得待檢測的垃圾物的種類，并將類別結(jié)果發(fā)送至Arduino控制器，完成其他投放動作。

6.結(jié)束語

城市生活垃圾已經(jīng)成為制約城市發(fā)展的一大關(guān)鍵因素，在新發(fā)展理念的倡導下，生活垃圾分類作為其中重要的一環(huán)，對于降低污染，減少碳排放有著重要的作用。以當前生活垃圾分類難、人工分類任務(wù)重、生活垃圾分類點利用率不足等現(xiàn)實狀況為出發(fā)點，符合要求的科學家設(shè)計出了上文中所述生活垃圾分類裝置。

該裝置較傳統(tǒng)的人工分揀方式具有如下優(yōu)勢：（1）裝置小型化，利于家庭場景的推廣應(yīng)用;（2）垃圾分揀迅速，節(jié)省人力，智能化;（3）滿載報警，實時監(jiān)控;（4）圖像識別垃圾，分類高效，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可學習性高;（5）投放口交錯設(shè)置，避免垃圾異味擴散，凈化空氣品質(zhì)

綜上所述，本設(shè)備能夠更迅速地將生活垃圾進行分類，并同時避免生活垃圾臭味排放，從而改善城市空氣質(zhì)量，對緩解生活垃圾分類困難、費時耗力的問題有一定的幫助，并具備了相當?shù)膶嶋H推廣應(yīng)用價值。

參考文獻：

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作者簡介：嚴達（2002—）男，湖北天門人，學歷：本科在讀，主要研究方向：車身工程與智能制造。

黃思威 （2001-） 男，湖北應(yīng)城人，學歷：本科在讀，主要研究方向：車身工程與智能制造。