基于风光互补的智能垃圾分类

梁 靖 刘春松 张士腾

华北理工大学，河北 唐山 063210

我国目前每年平均产生垃圾近10 亿吨，且每年还在以8%～10%的速率递增，垃圾分类仍是我国面临的一大顽疾，部分城市面临“垃圾围城”的严峻形势[1-2]。针对这一问题，近年来国家发布了许多政策来促进垃圾分类的落实，政府也逐步加大了投资力度。为积极响应社会号召，本文设计了这款智能垃圾桶，其符合历史发展趋势，具有广阔的应用前景。

1 基于风光互补的智能分类垃圾桶总体设计

该系统主要采用太阳能和风能发电，将风能和太阳能转化成电池中的化学能，进而为整个系统供电。通过红外感应感应到有垃圾被投放，通过摄像头对垃圾种类进行识别分类，进而控制舵机使对应的导向板打开，显示器显示对应的功能，语音模块播放对应的语音。最后通过ESP8266 将单片机数据上传至云端，在手机APP 上进行数据的读取和处理操作，再将云端下发的有用的数据通过串口穿发给单片机。智能分类垃圾桶装置外观结构如图1 所示。

图1 智能分类垃圾桶装置外观结构

这款垃圾桶利用基于卷积神经网络算法的垃圾识别技术，对垃圾进行识别分类。同时为了避免因垃圾桶的更换而导致垃圾车等垃圾回收设备更换的高昂成本问题，我们设计了由转轴、传送带及导向板组成的垃圾分类投放系统，对目前投放使用的垃圾桶有较好的适配性，保留了传统垃圾桶的优点。

由垂直轴风力机、太阳能电池板、蓄电池等组成风光互补的供电系统，利用风能与光能的互补性，使垃圾桶做到自主供能。利用物联网，垃圾桶可以及时反馈设备信息给运营管理者，如垃圾桶的供电系统情况、垃圾桶的剩余容量等，这在极大程度上减少了后期运营管理的成本，并且降低了运营管理的难度。

2 各系统设计方案与硬件选择

2.1 风光互补发电系统的设计

为了提高垃圾桶供电系统的稳定性，增强其面对恶劣天气的抵抗力，我们利用风能与太阳能的互补性，采用由垂直轴风力机、太阳能电池板、蓄电池、逆变器等组成的风光互补的供电系统[3]。

垃圾桶各个负载的电能消耗情况如表1 所示。负载每天的耗电量（L）合计为1.152 kW·h，风光互补发电系统设计的日均发电量为负载耗电量的130%，即1.4976 kW·h。其中，太阳能电池板承担50%的日均发电量（Lt），风力机承担剩余50%的日均发电量（Lf）。

表1 负载耗电量计算

2.1.1 太阳能电池板选型

太阳能电池板分为单晶硅太阳能电池板、多晶硅太阳能电池板、非晶硅太阳能电池板。相比而言，尽管单晶硅太阳能电池在成本上要高一些，但其有更高的转化效率和更长的工作寿命，也就使其具有更高的工作效率，因此，本系统选用单晶硅太阳能电池。而太阳能电池板的发电功率与天气、地理位置、安装角度等因素有关[4]。为了保证本套系统在各地的适用性，我们设置修正参数（Rt）为1.38，有效光照时间（Ht）为6 h 进行太阳能电池板功率（Pt）的计算。

经计算，我们采用2 块功率最为接近的100 W 的单晶硅太阳能电池板。

2.1.2 风力机选型

风力机的种类可按风力机主轴的方向分为垂直轴发电机和水平轴发电机。受垃圾桶的体积及垃圾桶的使用环境影响，我们采用启动风速较小、工作更稳定的垂直轴风力机。在正常情况下，风力机的发电效率也会受天气、环境等因素影响，我们设置修正系数（Rf）为1.2，每天有效风速时间（Hf）为12 h 进行风力机的功率（Pf）计算。

经计算，我们采用型号为NE-100 W 的额定功率为100 W 的垂直轴风力机。

2.1.3 供电电路设计电池采用的是12 V 电压，但是单片机和摄像机采用的都是3.3 V 电压，本系统采用MP1584 和SPX1117降压芯片，MP1584 可以将电压降至5 V，满足红外对管等外设的供电，该芯片输出电流大，可以满足整个系统供应，不用担心负载功率大导致的发热问题。SPX1117 芯片使5 V 电压降至3.3 V，相比于传统的AMS1117 芯片具有更稳定、寿命更长、损坏率更低的优点，采用多级分压，使每个模块单独供电，防止出现单个器件损坏导致整个电路烧毁的情况。

2.2 识别分类系统的设计

该系统主要利用红外感应模块、基于卷积神经网络的识别模块，完成对垃圾进行识别分类，利用传送带及导向板完成垃圾的分类投放。

2.2.1 基于卷积神经网络的垃圾识别模块

对于图像的识别处理方面，卷积神经网络拥有良好的图像处理能力，其独特的反向传播方法能使图像识别拥有更高的准确率。我们使用从ImageNet 图像数据集找到的照片并加以补充，分为干垃圾、湿垃圾、可回收垃圾、有害垃圾四类，在进入卷积模型训练前，首先要对图像进行预处理，从而提高训练的精度，通过图像灰度化、几何变换、图像增强等3 个步骤对图像进行预处理，提高图像精度，之后进行模型的训练[5]。使用TensorFlow 以谷歌的MobileNet 为主要网络结构构建对垃圾识别的神经网络[6]。

2.2.2 垃圾分类投放装置

该装置主要利用机械转轴、传送带、导向板、伺服电机实现。由伺服电机带动转轴转动使垃圾从投放面板落到传送带上，传送带传递垃圾，另有4 个小型的伺服电机带动导向板将垃圾导向对应的垃圾桶。分类投放装置结构如图2 所示。

图2 分类投放装置结构

2.3 显示播报系统

垃圾桶在投放口下方设有显示屏，主要用来对使用者反馈和垃圾分类宣传的作用。在没有垃圾到来的时候，显示屏循环显示新闻、时事热点或宣传垃圾分类的公益广告，来提高人们对智能垃圾桶的关注度。当使用者投放垃圾后，显示屏会显示一张卡通微笑人脸，并使用MP3 语音播报模块播放感谢语句，语句可以事先存在SD 卡里，由单片机选取适合的语句进行播报。显示播报系统效果如图3 所示。

图3 显示播报系统效果

2.4 传动系统

当摄像头识别出垃圾的种类后，通过单片机控制对应的垃圾导向板打开，通过电机的转动使传送带进行滚动，将垃圾传到对应的垃圾箱内。采用PID 传统控制方法，对电机进行稳定的控制，使垃圾被更快更稳地传送到对应的导向板，从而使垃圾传送的效率大大提高，避免造成垃圾堆积的问题和由于堆积造成误放的问题。

2.5 垃圾桶的反馈系统

反馈系统主要利用物联网进行信息的输入与输出。主要输出的为设备信息，如太阳能电池与风力机的发电量、蓄电池剩余电量、垃圾桶的剩余容量等。基于物联网的反馈系统在一定程度上方便了垃圾桶设备的管理运营，相较于传统的垃圾管理模式，该垃圾桶的反馈系统可以避免原来由环卫工人到每一个垃圾桶进行检查的重复操作。

垃圾桶在投放口的下方设有显示屏，主要用来对使用者反馈与宣传垃圾分类，或者播报实时新闻。当使用者投放垃圾后，显示屏会显示一张卡通微笑人脸，并播放感谢话语。垃圾桶在未被使用时，显示屏会播放宣传垃圾分类的公益广告，以达到宣传的目的。还可以通过适当播放一些实时新闻，为居民提供实时热点，以提高垃圾桶的关注度。

3 结 语

实行垃圾分类是一种必然趋势。近年来，国家一直在实践低碳、环保、循环、可持续的绿色发展理念，积极开展各项垃圾分类工作。随着智能垃圾分类设备的出现，通过积分兑换奖励等形式，居民进行垃圾分类的积极性不断被提高。但是，更换智能垃圾分类设备所产生的高昂成本显然不是每一个垃圾管理企业都能够承担的。所以成本更低、效果更好的智能垃圾分类设备不仅能够被市场接受，得到大范围的投入使用，而且能准确地完成垃圾分类工作，推进垃圾分类工作不断发展。

基于风光互补的供电系统使本垃圾桶做到能源自给自足，垃圾识别模块与分类投放系统能够准确完成垃圾的分类投放，使垃圾中的可回收资源的回收率显著提高，可见其有较高的推广价值。