基于机器视觉的家庭智能分类垃圾桶设计

宋涛

（辽宁经济职业技术学院，辽宁沈阳 110122）

社会经济的不断发展，人们生活水平也发生了巨大的变化，随着人们生活的快速发展，同时产生的生活垃圾也逐渐增多。近年来，随着城镇化的进程，据不完全统计，我国城市垃圾平均每年以10%的速度增长，预计到2023年生活垃圾产生量将在4亿吨以上，垃圾堆积不仅对环境有所污染，同时历年堆存的垃圾还侵占了大量的土地，也是对土地的一种浪费。通过对城市广泛的实地调查和采样分析，居民生活垃圾约占城镇生活垃圾总量的60%以上。为了长期保护人类生存的环境，减少垃圾对环境的影响和破坏，家庭生活垃圾分类处理是每个人的重要责任和义务。虽然各个城市都制定了垃圾分类的政策，但是由于人们垃圾分类意识薄弱，垃圾分类知识缺乏，垃圾桶分类不清楚等因素，导致生活垃圾分类效果不明显，有时只是摆设，而随着人工智能技术中机器视觉技术的广泛应用，使用机器视觉技术自动识别垃圾成为可能，基于机器视觉的家庭智能分类垃圾桶设计研究，就是利用人工智能中的机器视觉来实现对家庭中的生活垃圾进行自动分类，提高垃圾分类的准确性和处理效率。

1 垃圾分类介绍

人们在生产、生活中产生的大量垃圾，垃圾分类是可以减少垃圾处置量、可进行无害化处理、减少土地占用，提高垃圾资源利用水平。垃圾分类是有利于民生的一项重要工程，这不仅是国家的职责，也是我们公民的义务，每一个公民都有责任保护我们的家园。人们的生活垃圾一般可分为四大类：一是可回收垃圾，主要包括废纸、塑料、玻璃、金属和纺织物五大类。废纸主要包括报纸、期刊、图书、各种包装纸、办公用纸、广告纸、纸盒等。二是有害垃圾，主要包括废电池、废日光灯管、废水银温度计、过期药品等，这些垃圾需要进行特殊处理。三是厨余垃圾，主要包括剩菜剩饭、骨头、菜根菜叶、果皮等食品类废物，这些垃圾可以进行生物技术处理，可以制成有机肥料。四是其他垃圾，主要包括除上述几类垃圾之外的砖瓦陶瓷、渣土、卫生间废纸、纸巾等难以回收的废弃物。对于不同的生活垃圾要采用不同的方法进行处理，这样可以有效地减少对地下水、地表水、土壤及空气的污染，降低了垃圾对环境的危害，减少城镇土地的占用。

2 机器视觉技术

2.1 机器视觉技术定义

机器视觉就是指在机器上加上一个光学设置，使机器具有视觉功能，提高机器的自动化和智能化的功能。也可以说机器视觉是一种模拟人类视觉系统的生物感官模拟器，机器视觉通过摄像头采集目标影像，并转换成图像信息，通过传输系统传递给图像处理系统，将像素的分布情况及物体的图像特征信息转化为数字信号，图像处理系统对这些数字信号进行各种运算来提取目标特征，例如物体的颜色、数量、位置、面积、长度等信息，这些图像信息生成之后，再根据预先设计的条件进行判断，最后输出结果，实现人工智能方面的自动识别功能[1]。机器视觉应用系统包括图像采集、图像处理、传感器、人工智能、图像识别、模拟与数字视频技术、机械控制等技术。

2.2 机器视觉技术研究

随着计算机技术、网络通信技术、大数据、人工智能技术的快速发展和离散数学理论的完善，机器视觉技术已经被广泛应用于人们生产、生活中的各个领域中，尤其是西方发达国家，他们的机器视觉技术广泛地应用工业生产、医学和农业等方面。多传感器信息融合是机器视觉技术研究的一个方面，它是利用计算机技术、数据处理技术、工业控制技术等技术，将处于各个不同位置的传感器信息收集起来，然后再进行数据分析和信息处理技术。主动视觉也是机器视觉研究的一个方面，根据分析结果和视觉的要求，系统主动地改变传感器，使视觉系统能够主动地选择和跟踪研究目标。传统的计算机视觉理论，把视觉过程看作一个信息处理的过程，侧重于研究二维图像。通过模块化的视觉计算和分层表示，获得三维图像，但是这种技术很难获得三维景物的精确描述。三维重建技术也是机器视觉技术研究一个方面，它是根据单视图或多视图的图像重新构建三维图形信息，利用计算机和数学模型通过处理、分析等操作，获得真实物体几何形状的技术。

3 智能垃圾桶设计

由于人们对垃圾分类知识缺乏，经常出现垃圾分类不清楚的现象，为了提高垃圾分类效率，家庭智能分类垃圾桶的设计就很重要，机器视觉技术具有识别物体的速度较快、可重复性工作、适应能力强和适用范围广等特点，提高了垃圾分类的检测效率和准确性，将机器视觉技术应用到垃圾分类应用中，为城镇家庭的生活垃圾分类提供了便利。

3.1 硬件设计

智能垃圾桶整体结构分为上、中、下3层，上层安装树莓派开发板、太阳能电池板、LED灯、摄像头、红外线探测仪、烟雾探测仪和报警装置；中层安装机械传动装置，主要安装是舵机、隔板、挡板等，下层安装四个箱体[2]，包括可回收垃圾箱体、有害垃圾箱体、厨余垃圾箱体和其他垃圾箱体，方便垃圾分类，同时垃圾桶还设置有感应自动开关、手动、脚踏的开盖功能，保障用户这三种方式都可以正常打开垃圾桶上盖。

树莓派是基于Linux内核的单片微型计算机，具有体积小、功能强大的特点，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板上有USB接口和以太网接口，可以连接键盘、鼠标和网线，同时还有摄像机串行接口，以上所有的硬件都可以放在很小的主板上。智能垃圾桶系统是基于树莓派开发板进行设计搭建，由于垃圾桶设计中要用摄像头采集垃圾图像，并把采集图像进行信息处理，然后才能进行垃圾识别，识别后的垃圾进行分类处理，类别系统还要控制舵机进行转动，并打开相应的垃圾箱体的隔板，让垃圾落入到系统指定的箱体中，这就要用树莓派作为智能垃圾桶系统的开发板。

安装的红外线探测仪可以判断垃圾是否装满，如果已经装满会发出提示声音，也可以进行垃圾桶内的温度测量。机器视觉关键的硬件部分就是摄像头，它决定了采集垃圾图片的清晰度和对比度，在智能分类垃圾桶设计中只选用了摄像头，可以拍摄在指定区域内的垃圾图像。为了使垃圾图片拍摄更加清晰，图像识别更加准确、效率高，在光源选择上采用LED灯，这是由于LED光源发光均匀、亮度好。在智能分类垃圾桶的下层要放置4个分类垃圾桶，为了充分利用空间，所以分类垃圾桶采用的长方形结构，并且上方都设有隔板，并且每个垃圾桶上都有垃圾分类标签，当垃圾识别完成后对应的垃圾桶上盖将会打开，随着转轴的转动将垃圾送到相应的桶中。

3.2 系统设计

家庭智能分类垃圾桶的系统设计主要由四部分构成，分别为控制模块、图像采集模块、图像识别模块、分类处理模块系统，如图1所示。

图1 家庭智能分类垃圾桶系统设计

家庭智能分类垃圾桶的垃圾图像信息数据库的设计，首先创建生活垃圾图像数据库，并将垃圾数据做好标签进行分类，并将垃圾信息数据上传到家庭智能分类垃圾桶数据库中，并对数据进行深度计算、分析和训练，训练完成后的数据将转为数据模型文件同时形成垃圾图像数据模型文件保存，可以运用OpenCV对垃圾识别并进行垃圾分类。如果数据库查找不到此类垃圾，还可以人工录入垃圾信息并设置垃圾分类的种类。

如果当垃圾投入垃圾桶中时，将启动图像采集系统，家庭智能分类垃圾桶的图像采集系统包括图像采集箱、摄像头、光源、传感器，其主要功能就是通过嵌入在垃圾桶顶部的摄像头对投入的垃圾进行拍摄，完成图像采集工作。图像处理系统就是通过树莓派启动图像识别功能，将拍摄下来的数据信息发送到树莓派设备中进行垃圾识别，如果投入的垃圾没有识别出来，则垃圾桶会出现报警声音，提示不可识别，让人主动设置垃圾的分类[3]。如果通过图像数据已经分析出垃圾类别，则启动垃圾分类系统。垃圾分类系统主要由分类的垃圾桶、树莓派、舵机等构成，系统功能就是分类系统中机械控制器发出指令给相应的隔板，隔板打开后垃圾就投入到对应的垃圾分类桶中，实现垃圾的自动分类的过程。控制系统就是通过指令控制摄像头对垃圾进行拍摄，完成图像的采集，再将采集的信息处理、量化为数字信号，并把垃圾图像信息发送到垃圾识别系统中进行分析，并将分析的结果传输给垃圾分类系统，分类系统再对机械控制发出信息指令，打开相应的垃圾仓门，将垃圾投放到指定的垃圾分类桶中，实现垃圾分类的控制和协调工作。

4 技术突破创新

4.1 智能垃圾桶的感应系统

首先可以利用红外探测仪智能检测垃圾桶检测内垃圾的存储容量，可以判断垃圾是否装满，如果垃圾装潢后，垃圾桶将会发出提醒信息，提示垃圾已经装满，请用户尽快处理。其次是红外传感器可以检测是否有垃圾靠近，保障垃圾桶盖在用户扔垃圾时能自动打开桶盖。还有设计垃圾桶时还有温控感应系统，能够及时检测垃圾桶内的温度，如果一旦检测垃圾桶内的温度超标，将会发出报警系统提醒人们垃圾桶可能有火灾隐患，要及时查看垃圾桶的内容状况[4]。另外垃圾桶中还设置有烟雾感应模块，如果垃圾桶内有烟雾出现，感应器就会把测到的烟雾变成危险信息传递给控制系统，将发出烟雾报警[5]。

4.2 垃圾桶外部设计

垃圾桶内设置活性炭，可以吸附垃圾散发出来的异味，减少家庭里垃圾异味散发，另外垃圾桶在外观设计中强调垃圾桶的密封性，防止垃圾味传出来。垃圾桶的电源供应可以是多种方式，一种是直接连接电源插座，也可以安装锂电池，还可太阳能电池板，实现绿色环保的垃圾桶。

4.3 手动设置垃圾分类系统

在垃圾分类系统中，已经提前输入了一些常见的垃圾图片，并且进行了垃圾分类，但是总是会遇到一些数据库中没有的垃圾，家庭智能分类垃圾桶可以根据以前的分类方法给出一个垃圾分类的建议，也可以用户自己设置垃圾的分类并存储到数据库中，还可以修改垃圾的分类。

5 结束语

随着城镇化的进程不断发展，每天产生巨大的生活垃圾已经影响到我们的生活环境，人们也意识到要垃圾分类的重要性，垃圾分类可以督促人们守护资源、爱护生活家园、保护环境的意识，让厨余垃圾变废为宝成为有机肥料，对可回收的垃圾进行回收再利用，减少资源的浪费。每个人都要认识到垃圾分类关系到我们每一个人的生活，为了保护环境，为了拉高垃圾分类的效率，减轻环卫工人的工作压力，垃圾分类人人有责。智能分类垃圾桶将大数据、互联网、人工智能等先进的科技应用到家庭垃圾分类中，方便了家庭生活，人们不用再为如何进行垃圾分类而发愁，它的设计符合社会发展需要，也满足了个人的需求，不仅使我们家庭生活环境更加美好，还促进了资源回收利用，在当今绿色环保时代，家庭智能分类垃圾桶进入每一个家庭将会成为社会发展的趋势。