基于视觉识别的垃圾自动分类系统设计

基于视觉识别的垃圾自动分类系统设计

吕一凡,王思泉,朱泽丰

南京工程学院自动化学院 南京工程学院能源与动力工程学院

摘要：随着人口的不断增长和经济的快速发展，生活垃圾的数量随之激增。垃圾分类处理是城市可持续发展战略的重要组成部分，垃圾是一种错位的资源，对不同特性的垃圾进行回收利用是有益的。垃圾分类不仅可以提高垃圾回收效率，还可以美化城市面貌，保护环境，实现资源最大化，实现社会、环境、经济的共赢。近年来，垃圾分类得到了政府的广泛关注。

关键词：视觉识别；垃圾自动分类系统；设计

1垃圾处理存在的问题

1.1公众对垃圾分类的意识不是很高

许多西方国家非常重视垃圾分类，实施垃圾分类已经成为他们日常生活中的一种心态。城市里所有的垃圾桶都是分类存放的，居民在日常生活中表现出了良好的垃圾分类意识。然而，作为一个发达国家，垃圾分类仍然存在各种问题，必须加以解决。虽然中国政府部门早在2002年就开始倡导垃圾分类，但效果并不明显，很多居民的垃圾分类意识也不是很高。截至目前，虽然一些城市出台了垃圾分类的相关规定，但我们也可以看到，公众对垃圾分类的意识仍然薄弱，很多居民对垃圾分类不是很了解，我们也不知道如何进行垃圾分类。因此，我们日常的垃圾分类分类工作仍然存在很多问题。

1.2垃圾分类不一致

2004年，中国颁布了城市生活垃圾分类方法和评价标准，但这些分类方法和评估标准并没有使我们的城市垃圾得到更好的分类。尽管许多家庭想对垃圾进行分类，但他们做不到。由于垃圾分类的复杂性，一些地区的垃圾分类非常无序，因此垃圾分类的相关政策无法详细执行。此外，每个城市的分类系统软件都不一样，导致垃圾分类乱七八糟。

1.3废物处理方法未更新

现阶段，我国垃圾的关键处置方法是做好焚烧。如果我们能够提前对垃圾进行分类，回收一些我们赖以生存的垃圾，这意味着许多垃圾不需要焚烧，这可以减少焚烧带来的危害。因为集中焚烧垃圾的方法本身有很多危害，这在许多资本主义国家无法很好地处理。因此，科学研究一种简单、廉价的垃圾分类和处理方法具有重要价值。我们自己的垃圾处理方法必须自主创新，才能融入当前时代的发展要求，减少环境污染。

1.4过时的垃圾处理意识

尽管中国经济建设和城市化进程加快，但公众的垃圾分类意识并未普遍提高。在垃圾处理方式方面，仅加强了对垃圾处理厂和焚烧厂的持续投入，但垃圾分类的实施仍然不足。这种过时的解决垃圾的方式和过时的意识亟待改进。

2视觉识别的垃圾自动分类系统设计

2.1硬件结构设计

采用CAD软件对垃圾桶进行绘制，系统高90cm，内径为50cm，该系统结构从上到下依次为顶盖1、密封支撑圆柱2、分离器3、分类箱4、限制挡板5、四分之一圆托6、十字支撑架7、摄像头8、步进电机9。具体装置介绍如下：

四分之一圆托：与限制挡板5共同置于垃圾投放口下方，隔绝上下，防止垃圾桶内气味扩散。

摄像头：检测垃圾投放情况。当投放第一个垃圾时，摄像头8将对其进行拍照，并将拍摄的图片传入树莓派进行比对，确认垃圾类型，反馈数据给下方步进电机9。

步进电机：带动四分之一圆托6顺时针旋转，通过卡扣结构推动限制挡板5，使垃圾运动到对应的回收箱体上方，然后，下方的四分之一圆托6在步进电机9的作用下向逆时针方向旋转九十度，通过限制挡板5与密封支撑圆柱2的摩擦力，使得垃圾始终停留在对应的回收箱上方，四分之一圆托6撤离后，垃圾准确落入对应回收箱内。

分类箱：位于十字支撑架7的下方，分为可回收垃圾、有害垃圾、干垃圾和湿垃圾四个箱体。

2.2开发板选取

根据系统的设计，本开发板需包含图像接收单元、图像处理单元、步进电机控制单元三个部分，分别用来采集图片并对采集的图片进行处理、识别其种类，再利用步进电机控制单元驱动步进电机旋转，使得限制挡板5和四分之一圆托6进行旋转，将垃圾落入正确箱体。本系统选取树莓派4B作为系统的开发板，是因为树莓派是一种小型计算机，其设计目的是将计算成本降至最低，从而使计算机编程更普遍，更广泛地面向广大用户，并且树莓派4B具有64位、1.5GHz四核CPU，拥有摄像头串行接口，以及丰富的GPIO串口，故选为本系统的开发板。

2.3App

为了能够实时监测垃圾桶内环境数据以及垃圾桶的地理位置信息和容量信息，开发了一个App，利用火焰监测模块进行垃圾桶火焰预警、MQ系列环境监测模块进行垃圾桶有害气体预警、地理位置信息的检测用SIM7600CE通信模组LBS定位、垃圾桶容量信息的检测用HC-SR04超声波模块。将采集的环境数据、地理位置信息与容量信息数据通过无线网络上传，然后再通过开发的App调用查看，方便管理员进行相应的管理与处理。

2.4垃圾分类监管信息系统

2.4.1垃圾分类监管信息系统的运行环境

垃圾分类管控信息系统采用互联网技术进行科学研发。它适用于浏览器应用软件，可以通过数据库系统存储和汇总垃圾数据库。互联网和电子计算机系统的应用可以使信息的分类更加准确，减少人力资源管理的投资，同时准确地判断垃圾信息和分类现象，使垃圾自动技术分类解决方案的实施更加顺利，加快我国垃圾自动分类技术的快速发展。

2.4.2监管信息系统功能结构

管控信息系统的功能是将每个城区、街道社区和社区结合起来，记录负责人的信息和沟通方式，还记录城市中的志愿者和手机联系人及其沟通方式。同时，它还可以记录收到条形码垃圾袋的人数以及其他应用程序的总数、使用期限、规格和型号。可以将生活垃圾分类的时间和位置信息加载到系统中，以便更好地管理生活垃圾分类。此外，检测信息系统可以更好地记录城市工作人员和城市地区的垃圾分类准确性和投放准确性，以及存在的各种问题和不足，并定期进行统计分析，以归档和分发每个自动识别系统和分类系统的现象。专业技术人员将定期检查系统，以改进检测，并随时随地掌握垃圾分类的动态状态。

2.5垃圾分类投放装置

2.5.1条码识别单位

首先，垃圾袋上应该有条形码信息，对应居民家庭住址和每种垃圾的分类类型。当垃圾被放置在居民区时，垃圾自动技术分类系统将使垃圾袋中的条形码进行扫描和识别，并进行记录。同时，电气控制系统和齿轮传动系统感应到垃圾的类型和信息后，系统将自动打开相应的垃圾箱，完成准确的垃圾倾倒并组织垃圾倾倒信息。使垃圾分类更加有组织，推动垃圾自动分类技术快速发展，更好地普及日常生活垃圾自动技术分类系统。

2.5.2电气控制单元

五个垃圾系统通过使用单片机设计进行识别和操纵，使系统能够根据不同类型的垃圾进行准确的垃圾识别，然后完成每种垃圾对应的垃圾箱的齿轮传动系统控制，从而使系统能够更准确地对垃圾进行分类。这种自动化技术的整个过程可以减少许多垃圾收集方法和程序，同时也可以避免一些回收垃圾的消耗，节省大量人力和物力资源。此外，当居民投放垃圾时，他们可以记录他们的投放信息，并记录每个居民的垃圾投放和分类信息。当居民投放过多垃圾导致垃圾桶外流时，与系统相连的电子计算机可以通过短信或其他方式通过网络发出声光报警，然后会有专业的解决方案人员扣除垃圾，这也防止了垃圾桶过满污染自然环境，从而使整个建筑的居住环境越来越好。

结论

本文提出了基于MobileNetv2模型的垃圾分类算法，实验结果表明，该分类方法有效，对四类垃圾进行分类准确率达到了95%，本文开发的App能够有效、实时地监测垃圾桶内环境数据以及垃圾桶的地理位置信息和容量信息，说明本文提出的方法在垃圾分类和保护环境上的广阔应用前景。后续工作还可以通过以下的改进提升垃圾分类的准确率，首先，通过对多类数据下采样或者对少类数据集进行数据增强的方法来改善类不平衡问题；其次，增加每一类的准确率结果，可以更好地对模型进行改进，以提高分类的准确率。

参考文献：

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