基于交互体验的校园垃圾分类投放系统设计

黄梓清，谭伟健，陈水龙，夏 薇，赵其湛，洪远泉，周永明

（韶关学院 智能工程学院，广东 韶关 512005）

0 引 言

随着人们环保意识的加强和人工智能技术的快速发展，智能垃圾分类技术越来越受到人们的重视。目前，高校校园里大多使用的还是传统的垃圾桶，只标有可回收和不可回收标记，无法评估学生垃圾分类投放的结果是否正确，影响高校校园垃圾分类的效果。因此，基于传统垃圾桶的垃圾分类回收方式难以有效培养学生分类投放的意识和习惯。

针对校园垃圾分类投放存在的问题，本项目提出了一种基于交互体验的校园垃圾分类投放系统设计方案。学生通过人脸识别登录系统，在系统装置界面选择所投放的垃圾类型并进行投放。垃圾分类系统自动判断用户投放的垃圾是否分类正确并给用户奖励积分。用户可以通过配套的用户端小程序或者系统上的显示屏查看自己投放的垃圾的类型以及相关的分类知识，让大学生参与到垃圾分类的过程中，进而培养学生垃圾分类处理的习惯和意识。同时，环卫工人可通过配套的APP检查校园区域内每一个垃圾投放点的垃圾桶剩余容量。系统高效自动分类垃圾、环卫工人及时回收整理溢出的垃圾，均对改善校园环境有积极的推进作用。

1 总体设计

校园垃圾分类系统的总体设计如图1所示。用户通过系统的人脸识别后，登录系统，垃圾分类装置投放口开启，用户可将垃圾放置在投放区；然后在交互界面对自己所投放的垃圾进行初步分类。装置检测到垃圾投放后，通过卷积神经网络算法，对用户所进行的操作进行判别。用户分类正确，则结合机械控制，分离垃圾到对应的垃圾桶，并且将垃圾分类的信息保存在用户端的账号里，系统奖励积分到用户的账号中；若用户分类不正确，则系统根据识别结果进行再次分类且投放，系统也会奖励较少的积分给用户。用户可以通过微信小程序查看自己的垃圾分类信息以及获取的积分等情况；管理员采用系统配套的APP查看学校每个垃圾分类投放点的情况，如果垃圾即将溢出，系统可以推送信息提醒管理员及时处理，提高垃圾处理的工作效率。

图1 垃圾分类系统总体设计

2 硬件系统简介

2.1 核心主控板

系统选用STM32和Jetson Nano双主控作为核心控制。STM32为嵌入式控制处理器，处理信息速度快，外围接口丰富，运行功耗低。Jetson Nano采用四核64位ARM CPU和128核集成的NVDIA GPU，具有灵活的软件和完整的框架支持，为各种复杂的深度神经网络模型提供实时计算机视觉和推理。系统采用STM32实现各类外设模块控制和数据检测，采用Jetson Nano执行人脸识别和垃圾智能分类算法。两者相互配合，有效执行系统任务。

2.2 模块化驱动

本系统中的硬件模块级联如图2所示。

图2 硬件模块级联图

显示模块采用一款7寸的OLCD显示屏，嵌入装置运行设计的QT交互界面中，用来显示登录信息、积分情况以及垃圾分类的信息等。

系统的人脸识别和垃圾识别部分采用双摄像头模块构成。Pixy CMUcam5 Sensor双目高清摄像头配合人脸识别算法可以准确识别用户的人脸信息，特定的人脸识别库可以采集并保存用户的信息，尽量避免识别失败的情况发生；广角夜视摄像头配合特定的垃圾识别算法，将各个特征与数据库的数据进行特征点匹配，从而确定所识别垃圾的具体类别。

热成像模块采用的是AMG8833模块，能够有效识别出系统周边环境的热度变化，并通过数据反馈以及与其他辅助部分进行数据融合，使系统能有效地分析出垃圾桶内的温度是否处于正常范围内。

超声波模块US-100是一种带温度补偿的双模式超声波传感器。若感应到的温度与检测到的距离出现误差，超声波模块会对测到的距离进行实时调准，具有很高的灵敏度，用于检测垃圾的满溢状况。

电机驱动模块选用TB6612。TB6612为直流电机双驱动模块，具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动两个电机，效率远高于晶体管H桥驱动器。

3 交互体验软件设计

3.1 微信小程序

针对学生端，为了提高交互体验感，设计一款微信小程序。小程序以HUAWEI P40屏幕尺寸为设计标准，以微信开发工具为前端开发工具，采用手机端和PC端开发工具进行远程调试，使用WXML文件搭载页面的基础视图结构，使用WXSS文件控制页面的展示式样。通过接入云服务器，利用微信小程序端功能操作控制与垃圾分类系统中的相关PI接口就可以实时通信。机智云作为国内领先的开源云服务供应商，可提供高效稳定的网络端服务。学生用户只需通过常用的微信小程序即可与系统交互通信，查看个人的登录信息和个人垃圾分类获得的积分。小程序界面如图3所示。

中晚熟品种在2月20日至3月10日生产菌段。早熟品种要在3月1～20日生产菌段。由于长白山区冬季气候比较寒冷，所以菌段要提前发酵，利于菌丝吃透木料和后熟，并有利于把生长弱或感染杂菌的菌段挑出来，回锅重新灭菌接种，降低坏菌段的数量，提高菌材利用率，为当年增收打下良好基础。

图3 微信小程序界面

3.2 管理端APP

针对环卫工人等管理员，设计一款与系统配套的管理端APP。采用混合式Hybrid类型进行开发；选取Xcode作为开发工具，搭载SQLite数据库实现开发调试，通过关联SQLite就能够使用SQLite开源数据库，节省了很多配置环境变量的繁琐步骤。管理端APP与主控板之间通过WiFi进行实时通信，通过8个字节的通信协议，实现手机管理端APP和交互界面端实时数据的上传。通过APP的功能模块可实时追踪查看学校各个垃圾投放点的垃圾桶容量情况。如果垃圾桶的垃圾将要溢出，系统会通过管理端APP发送数据提醒管理员，让管理员及时清理。APP界面如图4所示。

图4 管理端APP界面

3.3 QT交互界面

为了提高用户的交互体验感，采用跨平台性好、可移植性高的GUI图形编程设计开发软件QT以及Visual Studio共同开发。鉴于常见的GUI图形编程界面设计开发软件有H5、MFC以及QT等，并且基于跨平台性以及运作效率的考虑，以Visual Studio搭载QT环境的方式采用高效编程语言C++为该项目进行界面设计开发。通过关联库，QT对数据库的存储用户数据和采集的垃圾分类信息进行处理，借助QT SQL等模块对数据库API通信实现对数据库中数据的应用和共同编译。QT交互界面如图5所示。

图5 QT交互界面

4 垃圾分类回收装置模型

装置结构如图6所示。垃圾分类系统使用太阳能发电技术，配有太阳能电池板充电系统，具有以下功能和特点：①内部有一个大容量储电设备，可通过自备的储电系统自给供电，即使垃圾桶在长时间未充电状态下依然能够正常使用；②是投放垃圾的窗口，可以自动翻盖；③是装置内设计的一个分类结构，选用推杆式结构；④是装置内设计的微型传送带，用于移动垃圾；⑤是分类垃圾桶；⑥是显示屏。结合传统垃圾桶，由机械控制部分及人脸识别算法和垃圾分类算法，构成本系统中的垃圾分类装置。

图6 分类装置结构图

5 结 语

本系统通过人工智能技术促进垃圾分类回收技术的发展，通过积分奖励刺激方式可以有效培养大学生垃圾分类意识，在一定程度上减轻了环卫工人的工作负担，提升校园垃圾分类回收效果。垃圾自动分类回收可以避免垃圾交叉感染，保护环境，促进垃圾循环使用，具有很大的市场应用前景。