《基于深度學(xué)習(xí)的智能堆肥垃圾桶分類處理系統(tǒng)》論文發(fā)表期刊：《科技與創(chuàng)新》；發(fā)表周期：2021年06期

《基于深度學(xué)習(xí)的智能堆肥垃圾桶分類處理系統(tǒng)》論文作者信息：郭昌鑫（1998-），男，廣東潮州人，本科在讀，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化研究。

　　摘要：“誰知盤中餐，粒粒皆辛苦”，每一粒糧食都是來之不易的。食物浪費(fèi)既耗費(fèi)人力物力，也會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響。剩余食物放久之后會(huì)變質(zhì)，誤食后會(huì)危害人體健康，而利用這些食物做成堆肥，變成植物所需的有機(jī)物，可減少環(huán)境污染。因此，提出了基于深度學(xué)習(xí)的智能堆肥垃圾桶分類處理系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)功能穩(wěn)定，誤差較小，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：食物浪費(fèi);深度學(xué)習(xí);識(shí)別分類;堆肥

　　1引言

　　隨人民生活條件的提高，食物浪費(fèi)的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年浪費(fèi)食物高達(dá)13億t，相當(dāng)于3600萬輛18輪大型貨車的質(zhì)量，這些食物產(chǎn)生的溫室氣體排放量高達(dá)33億t，相當(dāng)于美國道路交通2010年排放總量的兩倍多，這將直接導(dǎo)致全球氣候變暖。因此，有必要在廚余垃圾產(chǎn)生時(shí)就利用起來，做成有機(jī)肥，為植物提供所需的養(yǎng)分。現(xiàn)階段國內(nèi)外處理餐廚垃圾的方法有很多，較為常用的方法有機(jī)械破碎、衛(wèi)生填埋、焚燒發(fā)電、厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵等。

　　然而，廚余垃圾組分時(shí)空差異明顯，其pH值因中國各地飲食習(xí)慣不同有所差異，多數(shù)小于70，甚至小于6.0，少數(shù)偏堿性，CN一般低于15：1，以纖維性食物為主時(shí)較高，以蛋自性食物為主時(shí)則較低(2，同時(shí)，廚余垃圾具有很強(qiáng)的分散性，收運(yùn)成為要重點(diǎn)解決的問題，目前看來，廚余垃圾不適合集中統(tǒng)一處理，實(shí)行以家庭為單位的分散處理成為必需措施1。因此，智能堆肥垃圾桶分類處理系統(tǒng)將有效地解決廚余垃圾處理問題。

　　2系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

　　制作堆肥需要熱、水、實(shí)物、空氣，缺一不可。首先由攝像頭識(shí)別廚余垃圾(包括水果、果皮、蔬菜等)后，由樹莓派進(jìn)行識(shí)別分類并存放至攪拌區(qū)，其次是將識(shí)別到富含碳的物質(zhì)(比如干樹葉、木屑、小樹枝等)和富含氮的物質(zhì)(比如菜渣、咖啡渣等)一起存放到粉碎區(qū)并進(jìn)行粉碎。當(dāng)廚余垃圾到達(dá)一定高度后，系統(tǒng)自動(dòng)將粉碎區(qū)的物質(zhì)倒入攪拌區(qū)進(jìn)行翻攪，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)桶內(nèi)溫濕度，當(dāng)濕度過低將打開水泵進(jìn)行噴霧，讓堆肥材料保持足夠濕度。同時(shí)還具備手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH值、負(fù)離子發(fā)生器清除異味等功能，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　3硬件結(jié)構(gòu)

　　3.1 單片機(jī)

　　本系統(tǒng)的主控為STM32單片機(jī)，并負(fù)責(zé)一些底層操作。當(dāng)樹莓派識(shí)別并分類垃圾后，將信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)即可驅(qū)動(dòng)蓋子翻轉(zhuǎn)，把垃圾引入指定區(qū)域。同時(shí)還負(fù)責(zé)環(huán)境溫濕度、pH值等實(shí)時(shí)檢測(cè)等。

　　3.2樹莓派

　　作為系統(tǒng)的核心部件，內(nèi)部搭載TensorFlow模型庫中訓(xùn)練的Faster-RCNN模型，訓(xùn)練過程中需要大量不同類別的“垃圾”圖片，即為讓機(jī)器認(rèn)識(shí)“垃圾”的一個(gè)過程，做到識(shí)別并分類垃圾。

　　3.3舵機(jī)

　　主要負(fù)責(zé)分類時(shí)驅(qū)動(dòng)蓋子打開。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須要完成2個(gè)任務(wù)：0產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào);②脈寬的調(diào)整，即用單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比來達(dá)到控制目的"。

　　4軟件設(shè)計(jì)

　　樹莓派識(shí)別分類垃圾流程圖及單片機(jī)處理垃圾流程圖如圖2、圖3所示。系統(tǒng)分類垃圾采用的分類模型是Faster-RCNN，該模型引入了RPN，即真正意義上把物體檢測(cè)整個(gè)流程融入到一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，具備自動(dòng)提取功能，速度比Fast-RCNN模型快10倍。

　　在整個(gè)堆肥過程中，測(cè)量30d內(nèi)碳總量、氮總量、pH值的變化，各變化曲線如圖4、圖5、圖6所示，其中碳總量程下降趨勢(shì)，較初值下降了10.5%，說明堆肥過程中揮發(fā)了含碳的氣體，而氮總量增加了2.5%，則該堆肥可為植物提供所需的氮元素。pH值由6.0變化到7.8，表面整個(gè)堆肥過程中微生物有較高的活性，且滿足《有機(jī)肥料》要求的5.5-8.55測(cè)驗(yàn)結(jié)果與分析調(diào)試初期桶內(nèi)氣體傳感器對(duì)異味設(shè)定的靈敏度過高，在氣體濃度較低時(shí)就誤啟動(dòng)負(fù)離子發(fā)生器清除異味，而此時(shí)該濃度卻不足以引起人體的察覺，導(dǎo)致負(fù)離子發(fā)生器頻繁的開啟，這不僅增加電能的消耗，而且大大縮短了負(fù)離子發(fā)生器的使用壽命。好氧堆肥過程由一系列生物氧化-還原反應(yīng)組成，電子供體包括含氮有機(jī)物、碳?xì)浠�合物、酯類、多種有機(jī)酸及醇類，電子受體為0，堆肥是多種微生物相對(duì)多種底物進(jìn)行協(xié)同作用的復(fù)雜生化過程[，研究過程中發(fā)現(xiàn)，在有氧堆肥中引起人體嗅到臭味的主要是氨氣和硫化氫這兩種氣體，因此需要對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過大量測(cè)驗(yàn)，當(dāng)氨氣濃度達(dá)到6mg/m3時(shí)才會(huì)引起人體的察覺，但是當(dāng)國家規(guī)定的氨氣安全指標(biāo)為最高濃度不超過0.2 mg/m3，則需把傳感器檢測(cè)值設(shè)在0.2 mg/m3，超過該設(shè)定值就會(huì)自動(dòng)清除異味。

　　6結(jié)束語

　　本文介紹了基于深度學(xué)習(xí)的智能堆肥垃圾桶分類處理系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)過程，堆肥其實(shí)是利用自然界中的分解者分解有機(jī)物，并將其分解為富含營養(yǎng)的土壤，而土壤又可以重新用來種樹種菜，無需再施肥，智能堆肥垃圾桶實(shí)物如圖7所示。針對(duì)廚余垃圾難收集、處理時(shí)間緊急、難以處理以及污染大等這一系列的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)以家庭為單位更有利于收集，而且堆肥周期短。其有氧堆肥較無氧堆肥有更大的優(yōu)勢(shì)，首先在有氧堆肥的過程中無異味產(chǎn)生，而無氧堆肥的過程中會(huì)散發(fā)出強(qiáng)烈的惡臭。自黨的“十九大”召開以來，國家已經(jīng)越來越重視環(huán)境保護(hù)和垃圾分類，中國在對(duì)廚余垃圾的處理上還是有所欠缺，本設(shè)計(jì)如果能夠普及，即可大大填補(bǔ)這一空白。以家庭為單位的自我收集的方式，可以減少大量的人力輸出，把污染物變成堆肥的方式，不僅為人類社會(huì)作出貢獻(xiàn)，更為保護(hù)環(huán)境貢獻(xiàn)一份力量，為綠色生態(tài)環(huán)境打造出一條可 持續(xù)發(fā)展的星光大道。

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