導語：智能垃圾分類裝置硬件設計(ji)研究一文(wen)來源于(yu)網友上傳，不代表本站(zhan)觀點，若需要原創文(wen)章可咨詢客服老師(shi)，歡迎參(can)考(kao)。

摘要：針對當前日益嚴峻的環境問題，為了進一步將垃圾分類落到實處，設計了一款智能垃圾分類裝置。首先對系統的整體方案進行設計，然后從電控和機械兩部分對其中的主要模塊進行詳細設計，最后對硬件進行(xing)組裝和調試。經(jing)過多次(ci)實物(wu)測(ce)試發現(xian)，系統運行(xing)穩定、響應(ying)速(su)度快，且具(ju)有較高的準確率。

關鍵詞：垃(la)圾分類；人(ren)工智能；物聯網(wang)；數(shu)據(ju)融(rong)合(he)；傳(chuan)動機構；神經網(wang)絡

隨著人們消費需求的變化和科技的發展，日常生活中各種智能化產品應運而生[1-3]。環保問題一直是人們關注的重點，尤其垃圾分類的問題一直困擾著人們，并且目前面臨的最大問題是人們對于垃圾的具體分類不太清晰[4-6]。通過對生活垃圾進行智能分類可以極大程度地幫助人們減輕負擔來提高生活質量，支持國家的可持續發展戰略，實現資源的再利用，促進節能減排。智能垃圾桶的核心在于實現垃圾的自動分類，使用者只需要將垃圾丟進垃圾桶，就能對垃圾進行自動識別和分類[7-10]。本文結合實際的應用需求，設計了一款(kuan)智能垃(la)圾(ji)(ji)分類(lei)裝置。該智能垃(la)圾(ji)(ji)桶以英偉達JetsonNano人工(gong)智能平臺作為數據核心(xin)處理(li)模塊，基于BP神經網(wang)絡算法對垃(la)圾(ji)(ji)圖像進行(xing)識別和分類(lei)來(lai)獲取垃(la)圾(ji)(ji)信息；然后通過(guo)(guo)機械部分對垃(la)圾(ji)(ji)進行(xing)分類(lei)，并將結果進行(xing)顯(xian)示(shi)以及語言(yan)提醒；最后通過(guo)(guo)組裝和軟(ruan)硬件(jian)聯合(he)調試，驗證系(xi)統的整體功(gong)能。

1系統總體設計

根據實(shi)際的(de)(de)(de)應用(yong)需求，對(dui)系統(tong)功(gong)能(neng)進(jin)(jin)行全面分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)析，系統(tong)的(de)(de)(de)總(zong)體結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)主要由電(dian)(dian)控(kong)部分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)和(he)(he)機械(xie)部分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)兩(liang)大(da)塊(kuai)(kuai)(kuai)構(gou)(gou)(gou)(gou)成，總(zong)體架構(gou)(gou)(gou)(gou)設計如圖1所示。其中電(dian)(dian)控(kong)部分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)包括(kuo)：數(shu)(shu)據融(rong)合處理(li)(li)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)、圖像處理(li)(li)與攝(she)像頭模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)、無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)、智能(neng)音視頻顯(xian)示與提(ti)醒模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)、電(dian)(dian)源(yuan)及(ji)動力(li)(li)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)和(he)(he)執(zhi)行機構(gou)(gou)(gou)(gou)控(kong)制模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)。機械(xie)部分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)包括(kuo)：垃圾(ji)桶箱體機械(xie)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)和(he)(he)箱體內的(de)(de)(de)齒(chi)輪傳動機構(gou)(gou)(gou)(gou)。系統(tong)的(de)(de)(de)總(zong)體工作流程如下：（1）電(dian)(dian)源(yuan)及(ji)動力(li)(li)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)為整個系統(tong)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)控(kong)及(ji)動力(li)(li)執(zhi)行機構(gou)(gou)(gou)(gou)提(ti)供穩定的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓輸出。（2）圖像處理(li)(li)與攝(she)像頭模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)可以實(shi)時采集(ji)當前垃圾(ji)投(tou)放口的(de)(de)(de)圖像信(xin)息。（3）數(shu)(shu)據融(rong)合處理(li)(li)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)通(tong)過軟件(jian)算法對(dui)采集(ji)的(de)(de)(de)垃圾(ji)圖像進(jin)(jin)行識(shi)別(bie)，并(bing)確定分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)類(lei)(lei)。（4）執(zhi)行機構(gou)(gou)(gou)(gou)控(kong)制模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)則根據數(shu)(shu)據融(rong)合處理(li)(li)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)類(lei)(lei)的(de)(de)(de)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)控(kong)制步進(jin)(jin)電(dian)(dian)機，驅動齒(chi)輪傳動機構(gou)(gou)(gou)(gou)，將垃圾(ji)投(tou)入(ru)正確的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)類(lei)(lei)池(chi)中。（5）智能(neng)音視頻顯(xian)示與提(ti)醒模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)循環播放垃圾(ji)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)類(lei)(lei)宣傳片，同(tong)時對(dui)垃圾(ji)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)類(lei)(lei)識(shi)別(bie)的(de)(de)(de)結(jie)(jie)果進(jin)(jin)行顯(xian)示和(he)(he)播報。（6）無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)用(yong)于與上位機進(jin)(jin)行通(tong)信(xin)，查(cha)看系統(tong)的(de)(de)(de)狀態信(xin)息，便于調試。

2系統詳細設計

基于總體方案，從電控和機械兩個(ge)部分進(jin)一步對系統的主要模(mo)塊進(jin)行詳細設計。

2.1電控部分設(she)計(ji)

2.1.1電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源及動(dong)(dong)力(li)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源及動(dong)(dong)力(li)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)主(zhu)(zhu)要(yao)包括穩(wen)壓模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)和(he)(he)驅(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機，其中(zhong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源穩(wen)壓模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)為(wei)系(xi)統(tong)其他模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)工(gong)作平穩(wen)有(you)序(xu)進(jin)行(xing)提供條件。根據系(xi)統(tong)主(zhu)(zhu)控和(he)(he)其他功能模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)芯(xin)(xin)片(pian)對供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)特(te)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)，本系(xi)統(tong)設(she)計(ji)了3種(zhong)不同的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓等級：12V、5V和(he)(he)3.3V。綜合考慮系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)可(ke)移動(dong)(dong)和(he)(he)方(fang)便拆(chai)卸(xie)等特(te)性(xing)(xing)，系(xi)統(tong)12V電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓則(ze)直接(jie)(jie)采用(yong)12V/8000mA的(de)(de)(de)鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池進(jin)行(xing)供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，該(gai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池功率大、轉平臺(tai)支(zhi)持NVIDIACUDAToolkit10.0以(yi)及cuDNN7.3和(he)(he)TensorRT等庫。該(gai)SDK包括主(zhu)(zhu)流(liu)的(de)(de)(de)開源機器(qi)學習（ML）框架（TensorFlow、PyTorch、Caffe、Keras和(he)(he)MXNet等）以(yi)及計(ji)算(suan)機視覺和(he)(he)機器(qi)人(ren)開發的(de)(de)(de)框架（OpenCV和(he)(he)ROS等）。2.1.3執(zhi)行(xing)機構(gou)控制(zhi)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)執(zhi)行(xing)機構(gou)控制(zhi)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)用(yong)于(yu)與數(shu)(shu)據融合處(chu)理模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)交(jiao)互(hu)，并控制(zhi)步進(jin)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機驅(qu)動(dong)(dong)傳動(dong)(dong)機構(gou)。該(gai)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)采用(yong)意(yi)法半導體公司生產(chan)的(de)(de)(de)32位處(chu)理器(qi)STM32F103ZET6為(wei)主(zhu)(zhu)控芯(xin)(xin)片(pian)，主(zhu)(zhu)頻(pin)高達(da)(da)72MHz，內置高達(da)(da)512KB的(de)(de)(de)高速閃存，具有(you)豐富(fu)的(de)(de)(de)I/O端口和(he)(he)各類標準的(de)(de)(de)通信接(jie)(jie)口，實(shi)時(shi)性(xing)(xing)能夠很好地(di)滿足數(shu)(shu)據交(jiao)互(hu)和(he)(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機驅(qu)動(dong)(dong)控制(zhi)的(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)。基于(yu)該(gai)主(zhu)(zhu)控芯(xin)(xin)片(pian)設(she)計(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路原(yuan)理如圖3所(suo)示。其中(zhong)串口1的(de)(de)(de)RXD1和(he)(he)TXD1與無線通信模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)中(zhong)的(de)(de)(de)藍(lan)牙模(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)對應的(de)(de)(de)管腳相(xiang)連，實(shi)現與上位機的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據交(jiao)互(hu)。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)采用(yong)TB6600，因此主(zhu)(zhu)控芯(xin)(xin)片(pian)與驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路連接(jie)(jie)方(fang)式設(she)計(ji)為(wei)：PA0接(jie)(jie)PUL+，PA2接(jie)(jie)DIR+，PA3接(jie)(jie)EAN+，GND接(jie)(jie)EAN-，從(cong)而(er)控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機的(de)(de)(de)轉速和(he)(he)旋轉方(fang)向。

2.2機械部(bu)分設計

機械部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)包(bao)括桶(tong)箱(xiang)體(ti)(ti)(ti)機械結(jie)構(gou)(gou)和(he)(he)箱(xiang)體(ti)(ti)(ti)內(nei)(nei)的齒輪傳(chuan)動(dong)機構(gou)(gou)。箱(xiang)體(ti)(ti)(ti)作為(wei)(wei)整(zheng)(zheng)個(ge)(ge)裝置的“軀體(ti)(ti)(ti)”部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)，主要包(bao)括整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)(ti)材質、外觀、尺寸(cun)(cun)以及垃圾投(tou)放(fang)口(kou)尺寸(cun)(cun)、滑道坡度(du)和(he)(he)位置、內(nei)(nei)部(bu)(bu)垃圾投(tou)放(fang)池(chi)的尺寸(cun)(cun)等(deng)。利用SolidWorks繪(hui)圖工具(ju)對機械部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)進行(xing)設(she)計，箱(xiang)體(ti)(ti)(ti)及齒輪傳(chuan)動(dong)部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)的三(san)維結(jie)構(gou)(gou)如圖4和(he)(he)圖5所示(shi)。通(tong)(tong)過(guo)(guo)實地調(diao)研和(he)(he)文獻查閱，結(jie)合功能的要求，箱(xiang)體(ti)(ti)(ti)整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)(ti)外觀按(an)照長方(fang)體(ti)(ti)(ti)進行(xing)設(she)計，材質以不銹鋼和(he)(he)亞克力板為(wei)(wei)主構(gou)(gou)成。投(tou)放(fang)口(kou)位于整(zheng)(zheng)個(ge)(ge)箱(xiang)體(ti)(ti)(ti)的頂部(bu)(bu)，滑道位于投(tou)放(fang)口(kou)的正下方(fang)，側邊的平(ping)(ping)臺用于安裝電控部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)的各類(lei)(lei)模塊(kuai)。根據當前(qian)國(guo)內(nei)(nei)城(cheng)市生活(huo)(huo)垃圾分(fen)(fen)(fen)類(lei)(lei)通(tong)(tong)用標準，將日常生活(huo)(huo)垃圾歸屬(shu)為(wei)(wei)四(si)大(da)類(lei)(lei)，故本垃圾分(fen)(fen)(fen)類(lei)(lei)裝置設(she)計過(guo)(guo)程按(an)照四(si)個(ge)(ge)投(tou)放(fang)池(chi)的規格(ge)來(lai)構(gou)(gou)建。齒輪傳(chuan)動(dong)機構(gou)(gou)由步進電機驅(qu)動(dong)，受箱(xiang)體(ti)(ti)(ti)結(jie)構(gou)(gou)和(he)(he)尺寸(cun)(cun)的限制(zhi)，為(wei)(wei)同(tong)時滿足(zu)負載轉矩和(he)(he)控制(zhi)精度(du)的需求，設(she)計三(san)軸(zhou)兩級(ji)級(ji)聯齒輪傳(chuan)動(dong)結(jie)構(gou)(gou)，中心(xin)主軸(zhou)與四(si)個(ge)(ge)投(tou)放(fang)池(chi)下方(fang)的旋(xuan)轉平(ping)(ping)臺直連(lian)，通(tong)(tong)過(guo)(guo)中間過(guo)(guo)渡軸(zhou)的兩個(ge)(ge)不同(tong)大(da)小的齒輪與步進電機旋(xuan)轉軸(zhou)的齒輪級(ji)聯，從(cong)而實現(xian)整(zheng)(zheng)個(ge)(ge)垃圾分(fen)(fen)(fen)類(lei)(lei)裝置的旋(xuan)轉分(fen)(fen)(fen)類(lei)(lei)投(tou)放(fang)。

3系統測試

根據前述章節對電控和機械部分的詳細設計，定制相關的硬件材料進行組裝，組裝完畢后對硬件進行逐步調試。測試主要內容和結果見表1所列。硬件測試完畢后，進行軟件算法實現，通過軟硬件聯合調試，逐步實現系統的各項功能。基于高性能的人工智能平臺，系統通過神經網絡能夠對垃圾圖像進行快速識別，與執行機構控制模塊聯動準確實現垃圾的分類投放。經過多次實驗發現，系統響應速度快且具有較高的準確率。4結語為進一步將垃圾分類落到實處，本文綜合運用人工智能、圖像處理、智能控制等技術設計了一種智能垃圾分類裝置。主要對系統的電控和機械結構方面進行了詳細的設計，經過實物安裝、調試、測試和驗證，證明系統的實時性和準確率均能夠達到預期效果。然而，由于各方面條件的限制，在同時投放多個垃圾或者不同光照等較為復雜場景下，系統的識別和分類結果較差。后續將進一步結合物聯網、云計算等新技術和平臺進行研究與改進。

作(zuo)者：吳栓 徐聯冰 蘇克(ke)顯 吳穎 廖虎 張金亮 單位：湖北汽(qi)車(che)工業學院 電氣與信息工程學院