基于人工智能的智慧垃圾站的设计和实现

王晓斌，胡晓虎

（深圳市迈睿迈特环境科技有限公司，广东深圳 518000）

众所周知，垃圾站选址经常会遇到邻避效应的问题，既在此位置为广大居民的生活能带来便利和利益的同时，也会产生一定的负面影响，若不能及时处理好其产生的不良影响，甚至会出现不受居民欢迎的现象。特别是垃圾站散发的气味等，当大量垃圾无法得到及时清理，会散发阵阵让人难以忍受的臭气。因此，垃圾站在选址时，经常会遭到所在片域居民的强烈抵触，甚至为此产生居民与城管环卫人员的冲突问题比比皆是。随着我国城市化的逐步推进，居民的权利意识在逐渐增强，未来这一问题将更为突出。要解决这一问题，只能从源头上改变。利用现代人工智能技术，实现垃圾站的智能管控目标，以及高效有序地进行垃圾分类处理，利用人工与智能相结合的方式，解决垃圾站人手不足的问题，提高垃圾站垃圾处理效率，避免垃圾长期堆积造成的不良影响。

1 垃圾分拣智能系统设计

放眼全球的垃圾处理方式，国外对城市生活垃圾综合管理系统研究较多，普遍是针对城市生活垃圾管理具体情况进行应用。例如，文献[1]提出了模糊区间多目标混合整数规划模型，用于大城市的固体废物管理系统的优化；文献[2]将线性规划应用于区域有害废物管理体系中并且提出了有效可行的管理方案；文献[3]提出基于非线性动态规划的时间序列模型，用于固体废物发生量的预测等。而相较之下，我们国内的生活垃圾管理系统优化技术研究，仍处于起步阶段，很多方面都还不太完善，大多主要集中在中转站重要性的分析，以及对于各种生活垃圾处理的方法上进行研究的，无法满足人们日常的需要。

1.1 垃圾智能检测设计

通过在现有常见垃圾种类分析的基础上，结合世界各类智能垃圾分类产品的发展趋势，依照对垃圾合理分类方式的研究，对日常常见垃圾进行分类，并以此为依据进行人工智能的智慧垃圾站进行指标设计。具体垃圾分类检测指标方式如下。

1.1.1 实现垃圾基础分类

该系统的运行，能解决垃圾站在收集垃圾后，实现垃圾基础分类，进行自主的垃圾分类打包，便于后续对分类垃圾的转运处理。常见的四类生活垃圾分类：①对报纸、纸箱、书本、广告单、塑料瓶、塑料、玻璃、金属等可回收垃圾；②废电池、废灯管、废药品、废油漆及其容器等有害垃圾；③菜帮菜叶、瓜果皮壳、鱼骨鱼刺、剩菜剩饭等厨余垃圾；④除厨余垃圾、可回收物、有害垃圾之外的生活垃圾的其他垃圾这四种分类方式的检测，对于可回收垃圾，金属类以其独有特性可以直接测量判定，而塑料和玻璃等材质，则可以利用垃圾透明度来进行判断。而在厨房垃圾方面，通常采用检测垃圾湿度来判别。利用既有金属成分，又有其他材料的特征，来判别有害垃圾。通过垃圾密度检测，可分类其他垃圾类别。

1.1.2 预先设置检测时间

由于垃圾站的垃圾数量过于庞大，有时候垃圾分类特征并不明确，这时候系统程序判定模糊，很容易进行重复扫描，导致工作进程无法继续推进，因此需要给检测程序中设计扫描检测的时间不超过5 s。

1.1.3 清晰显示便于查询

检测系统设计能在检测后，自主上传数据的模式，并在垃圾站内设置数据显示区域，便于工作人员实时了解站内工作进程。

1.1.4 自主投放垃圾

利用智能化的检测系统对垃圾进行分类处理后，还需设计系统能够实现将分类后的垃圾自动投放功能，使得垃圾得到快速分类处理，有效提高垃圾站的垃圾处理效率，也让垃圾处理更加环保。

此外，在垃圾站内还可增设服务器，用以存储垃圾分类的信息。特别注意的是，对于城市居民在生活中产生的垃圾，还应加入垃圾的颜色、气味、导电性、含水分程度，来作为分类参考研究的依据之一。

2 智能垃圾分拣系统硬件设计

智慧垃圾站的系统控制采用STM32F103ZET6芯片作为主控芯片，系统还内设金属传感器，透明度传感器，湿度传感器、质量传感器、GPS 定位模块以及OLED 屏幕显示，增设报警器、服务器、电机控制模块等。如图1所示。

图1 智慧垃圾站

使得垃圾在投入后，垃圾站内能够人工智能地将其分拣。传感器模块按顺序快速动作，并将检测到的信号传送到STM32中，经由STM32中的系统检测后判断出所属垃圾的分类，并能在OLED 显示屏上显示其分类结果。若系统监测到当前垃圾是属于四类垃圾分类之外的其他分类，系统无法正常解决其所在大的问题，这时系统内部的报警模块将会进入工作模式，并利用服务器端显示垃圾分类数据。

2.1 金属传感器模块

金属模块作为可回收垃圾以及有害垃圾的检测工具，起到至关重要的作用，用来判断所测物体中是否含有金属物质。所测的垃圾为金属材料制品时，设计金属传感器的指示灯常亮。其工作原理是，系统中的振荡器发生交变磁场，使得金属垃圾内产生的涡流在极大程度上降低了金属模块中振荡器的振荡作用，直至最后振荡器停止。这时后级放大电路将从闭合状态转为开关信号，系统以此来判断检测垃圾中是否含有金属物质。

采取这种检测方式有个明显的优点，即此类检测无需接触待测物体，只需要在距离检测物体4 mm 左右的范围，就能快速做出判断。结合市面上大多数金属传感器，发现LJ12A3-4-Z/BX 电感式的金属传感器应量变化程度高，能实现响应时间短，抵抗外部干扰性强，工作稳定可靠的检测需要，且这款传感器的组成材料大部分以黄铜镀镍探头为主，能提高金属材料检测的准确性以及灵敏性。

2.2 透明度传感器模块

透明度传感器是用来区别除金属外的可回收材料中其他材料的检测模块。其主要是采用红外对管的工作原理，利用红外线发射管与光敏接收管，来识别物体透明度，从而能快速区分检测材料是否是类似玻璃、塑料等半透明垃圾。

当类似玻璃、塑料的这类有透明度垃圾进入红外线发射管以及光敏接收管的检测范围时，红外对管的发射端发射光束，接收端来接收光束。倘若被测垃圾是塑料或者玻璃等类似有透明度特点的垃圾时，光敏接收管能快速检测到对面发来的红外光线，但对于除此之外的其他垃圾材料则不具备穿透性，以此方式来做出垃圾分类判断。同时，此透明度传感器还可用作检测垃圾站内待分类垃圾囤放及分类垃圾区的装载容量，当该区域的垃圾已满时，能及时通知工作人员进行合理协调。

2.3 质量传感器模块

质量传感器作为智能垃圾分拣系统的检测模块之一，主要是用于检测垃圾的密度。这项检测能快速区分被测垃圾是否属于其他垃圾。质量传感器的性能与谐振频率有密切的关系，它的工作频率相当高，是分辨率很高的传感器。还具有结构比较简单、性能非常可靠、成本相对低廉等特点。

2.4 湿度传感器模块

湿度传感器在智能垃圾站系统分类检测中，被用于对果皮、剩菜剩饭等垃圾进行检测，通过快速判断检测垃圾是否含有水分。它采用直接接触式检测的方式，能自主分辨其中是自身富含的水分或者是其他垃圾表面覆盖液体而带有的水分，使得检测的结果更加精确。此外，对于该传感器部分设置了可调电阻，通过调节变阻器湿度的阈值，用以区别含水量不同的垃圾种类。

2.5 显示模块

利用各个模块单片机的信号传递，通过集中汇总的方式，在LED 显示屏上显示当前测量结果，以及系统判断的垃圾检测类别。经由传感器的检测判断，符合要求的信息则会通过显示模块在屏幕上显示。

2.6 报警模块

当经由一系列传感器对垃圾检测分类后，若被测垃圾不属于系统已有的四种垃圾分类之中，报警模块则会发出响应，利用蜂鸣器的嗡嗡声，提醒工作人员此垃圾为分类外的其他垃圾，需要人工进行分类处理。

2.7 GPS定位模块与主控模块

智能垃圾站的设计最不能缺少的就是GPS 定位模块，它是在进行垃圾分类检测后，系统能准确将分类垃圾投递到分类区域的指南针。将GPS 定位信息通过RS485串口的链接将定位信息上传到智慧垃圾站的主控模块。主控模块以此来处理垃圾分拣系统的检测数据，以及分类垃圾的数据比例，便于工作人员对垃圾处理数量的统计工作。

2.8 电机控制模块

垃圾站内，对于垃圾能实现智慧自动的输送方式，最不可或缺的则是电机控制模块。在垃圾的传送以及分类投递的过程中，都需要依靠电机的工作来进行。因此在以上传感器检测出垃圾种类以后，通过STM32主控模块的控制，电机控制垃圾的运送方向，使得垃圾精准投入到对应的垃圾囤放区域。

3 智能垃圾站系统设计

YOLOv5是近年来发布的目标检测算法，Darknet作为专门提出YOLO 的框架，因为体积小，易安装且移植性高等特点，被应用于许多人工智能行业之中。以此为基础进行以下系统设计。

通过大量的调查以及反映，可以发现大部分市民在进行垃圾投递时，仍然沿用以往的集中式打包方式，并没有很好地做到垃圾分类或者干湿分离等工作。有的市民虽然对垃圾进行分类处理，但投放仍旧存在错误，不少人对于如何分类怎么分类、还是存在疑惑，因此需要垃圾站的智慧系统来辅助分类。

将垃圾站的分类处理与实现资源循环相结合达到合，理处理城市垃圾，实现垃圾资源化的目的。利用上述的垃圾分类流程工作，可在垃圾站内架设由太阳能电池及储能装置相结合的发电系统，通过电机输送轨道的方式输送垃圾，使得垃圾投送效率大大提高。

垃圾分类系统的设计，要确保输送的垃圾都在所有检测器的检测范围之内，然后设置垃圾检测程序进行检测，依照检测器的检测顺序，对垃圾进行分类。若是金属材料垃圾则输送到可回收垃圾站中，对于湿度水分大的果皮、菜叶等则分配到厨房垃圾区域内。将密度大，湿度不明确的垃圾划分为人工检测区，以此作为设计方案。

4 总结

基于人工智能的智慧垃圾站设计，预计起码需要配备一台智能垃圾分拣装置，一台控制服务器以及四块分类区域，才能实现上述垃圾智能分类的改造，帮助站内工作人员高效处理垃圾回收分类。利用STM32作为主控制程序芯片，搭载YOLO 系统作为控制基础框架，利用湿度传感器、透明度传感器、金属传感器来对垃圾进行精确的分类检测，并通过执行相应的控制机构，实现垃圾精准对应投放。本设计还外加屏幕显示功能，便于工作人员对于垃圾分类进程的了解以及处理。通过对垃圾站智能升级改造，解决城市与居民之间的冲突，让大家生活的环境更加绿色舒适。