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基于AIoT技术的智能垃圾分类系统设计与优化

申报人：陈泓祥 申报日期：2024-05-31

基本情况

2024年批次
基于AIoT技术的智能垃圾分类系统设计与优化 学生申报
创新训练项目
工学
电子信息类
学生自主选题
一年期
针对日常生活中垃圾分类面临的“分类难”、处理效率低等问题，本课题基于单片机、物联网以及图像处理技术，设计了一款基于AIoT技术的生活垃圾智能终端处理系统。该系统采用机器视觉技术和分类算法，实现采样图形输入和目标特征的提取与分类；利用智能物联网及单片机控制技术完成数据传输及舵机控制，满足环境参数发送和低功耗设计的要求，并通过液晶显示屏查看垃圾分类信息和环境参数信息，最终实现垃圾分类的智能化与垃圾处理的高效化。
（1）以成员身份参与桂林理工大学2022年创新创业训练项目并结题
（2）以项目负责人身份参加桂林理工大学2023年创新创业计划并以区级立项结题
（3）参与第9届互联网+广西赛区区赛并得银奖
（4）参与过基于linux系统的计算机视觉应用开发,能熟练使用openCV-python,tensorflow进行计算机视觉应用开发，在此期间主要负责数据的预处理，模型的训练，目标追踪算法的实现以及树莓派
4B的硬件调试与环境配置 
主持在研国家自然科学基金1项、广西重点研发项目1项，广西自然科学基金面上项目1项，本课题有源于广西重点研发计划项目“再生资源智能分拣系统平台的研发与应用示范”
指导老师可提供每周一次的方法与技术指导，提供相应的平台支持，提供论文写作及版面费支持。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
陈泓祥 物理与电子信息工程学院 电子信息工程（应用） 2021 模型训练以及目标检测算法
何汇丽 计算机科学与工程学院 计算机科学与技术（应用） 2022 QT后端算法以及数据库处理
黄宏旺 机械与控制工程学院 自动化 2023 STM32以及树莓派模块硬件
何静 计算机科学与工程学院 计算机科学与技术（应用） 2023 训练数据的预处理以及QT界面设计
李杰 物理与电子信息工程学院 电子信息工程（应用） 2021 STM32以及树莓派模块硬件

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
邱斌 计算机科学与工程学院 否

立项依据

本项目旨在设计一种基于AIoT技术的生活垃圾智能终端处理系统，在投放垃圾时进行辅助分类。智能终端处理系统在设计之初，若作为一款成熟的智能家居产品，必须满足以下几个设计要求：①可分类智能垃圾桶能够在良好稳定的环境下通过摄像头采集到清晰、完整的垃圾图像，完成原始数据的获取;②垃圾分类系统能在装置完成数据采集后可以完成图像数据的处理、处理结果分析及垃圾的分类筛选，在此过程中要求数据处理、分类结果的准确性及高效性;③应当安装信号处理系统，能在短时间内完成指令传输、信息的交互，具有优良的通讯传输功能。本项目通过AIoT技术充分发挥各自硬件设备的优势来形成一套完整的垃圾处理系统从而提高垃圾的分类和回收效率。
1、基于AIoT技术的生活垃圾智能系统硬件设计
在日常生活中的垃圾分类处理时一般将垃圾分成4 种不同类别，现在绝大多数垃圾分类需要垃圾投放者具有相应的分类知识才能准确地进行垃圾分类。为了解决这个问题，在硬件部分首先利用垃圾桶的不同颜色加以区分来准确地进行垃圾分类，然后设计成可以提高空间利用率及垃圾分类效率的“垂直四桶分类式结构”。完成图像数据的采集后将采集完成的数据传入提前嵌入树莓派设备中的卷积神经网络进行检测，系分析出垃圾所属类别后,将处理结果传输到树莓派后通过选用机械控制装置中的舵机实现将垃圾移动到相应的停驻挡板，打开上方停驻挡板，垃圾顺利进入到对应垃圾类别的垃圾桶中，进而准确高效地完成垃圾分类工作。
2、 基于SQL、python、linux系统和OpenCV的生活垃圾智能系统软件设计
图像处理需要做到精确且快速，为了做到精确我们采用了深度残差网络，再用ResNet50网络作为项目的基础网络模型，使用Tensorflow框架搭建项目网络并使用Tensorflow开源框架进行训练。树莓派端使用OpenCV读取信息，并对其进行转码操作；使用python_flask进行格式转换，传给电脑端加载分类数据，并对传来的图片进行识别，最后将识别结果返回给树莓派端。采用SQL_Server2016创建数据库，使用Python连接数据库并通过树莓派强大的算力能快速得到结果。

继互联网兴起之后，人工智能技术成为了外界看好的热门题材之一。小组经过详细的市场调研和技术分析，最终决定以生活垃圾智能终端处理系统作为研究开发对象。小组结合身边可以使用的资源，制作了可实现自动垃圾分类投放功能的垃圾桶。据天眼查显示，我国目前有超过1700家智能垃圾桶相关企业，主要分布批发和零售行业占比44%。从成立时间上看，我国大部分智能垃圾桶相关企业成立于五年内，智能垃圾桶市场尚处于早期，存在较大市场余量。在垃圾桶功能方面，消费者对此种类垃圾桶存在不满态度的也不在少数。市面垃圾桶所谓的“智能”主要体现在增加红外活距离传感器，在用户靠近时打开桶盖让垃圾投入。而用户不满的主要问题集中在垃圾桶智能化程度过低和传感器过于灵敏，对于周边环境抗干扰能力较差。大环境方面，现如今国家的垃圾分类政策越来越完善，同时也进行相继立法，各地方政府陆陆续续为了响应政策而实行垃圾分类。由于垃圾分类有多种益处，因此我们需要让更多群众去接受并且使用。且智能垃圾分类会使操作更加简单易懂，所以智能垃圾分类等产品被各大工厂进行生产、投资。政策支持在未 来也会为智能垃圾桶类产品创造良好的生存环境。对于行业研发人员来说，研发者应当对市场需求和市场环境进行适当了解，使研发的产品能够快速产生经济利益。因此小组决定标新立异，选择与市面上主流产品不同的开发方向。
针对当前城市垃圾分类效率低,成本高,产出小的痛点,拟设计一种基于AIoT技术的生活垃圾智能终端处理系统.该装置包括图像识别模块,控制模块,电源模块和满载检测模块.通过图像模块实现对目标垃圾的识别;通过控制模块将目标垃圾投入对于容纳桶中;通过满载检测模块对容纳桶内剩余空间进行实时监测.本装置实现了多目标分类, 并通过液晶显示屏查看垃圾分类信息、环境参数信息、播放垃圾分类宣传片具有一定的示教作用,且能够提高居民垃圾分类意识,解决了现有智能垃圾箱功能单一,难以做到低成本地对多个目标垃圾识别并分类的缺点.在提倡可持续发展趋势下,对于城市垃圾处理的卡脖子问题,提供了一种可行的解决方案.
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1.总体框架设计
智能分类垃圾桶的设计分为硬件设计部分和软件设计部分,系统硬件使用了 USB 摄像头、SG90 舵机、舵机驱动板树莓派4B等主要硬件，软件设计包括图片分类识别算法的设计以及数据库的设计。系统整体架构如图1所示，系统工作流程如图2所示。

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项目研究进度安排
2024年 5-6月：完成对之前数据的处理，优化数据集，对模型进行进一步的训练
2024年 7-8 月：通过QT制作图形化界面并通过SQL进行数据库的连接
2024年 9-10月：对树莓派的硬件进行优化，例如其他传感器对湿垃圾以及干垃圾进行识别
2024年11-12月：添加舵机模块对垃圾进行分类，并对分类的结果进行分析，做进一步优化策略
2025年1-2月：添加机械臂等完善垃圾的分类功能并进行优化之前的界面以及数据集
2025年3-4月：继续对算法优化，提高准确率并解决之前硬件设计过程遇到的问题准备结题答辩 
与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
a. 项目负责人拥有两年项目经历，并且已经在光电设计大赛，互联网+大赛等获得成绩。对linux的系统应用开发，以及tensorflow,openCV,numpy等处理库非常熟练
b. 邱斌老师长期从事无线通信、物联网方面的研究，已经申请了相关领域的的多项专利，并且在该领域发表了多篇研究论文。
2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
已经具备条件：
a. 本项目组已经配置好树莓派4B的基础环境安装好tensorflow、openCV、numpy等依赖包，并且完成了摄像头的硬件适配测试。
b. 本项目组在之前完善了相关的训练集，拥有8万张相片的庞大数据集。
c. 在此前的二分类任务和三分类任务训练中，训练集和验证级的准确率在80%以上。
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d. 本项目组的成员学习过电路，数电，模电，STM32，树莓派等硬件知识能解决大部分项目开发过程中遇到的硬件问题。
e. 本项目组的成员学习过SQL数据库，OpenCV，linux系统且项目成员都学习过C语言编程和python编有能力解决在软件系统建设时遇到的大部分问题。 
a. 本项目组的数据集数量不够庞大需要在后续阶段完成数据集的补充
b. 本项目组在舵机与机械臂的硬件控制方面有所欠缺，后期会通过查找相关的资料以及请教老师以及研究生学长解决问题 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 8000.00 无 4500.00 3500.00
1. 业务费 4000.00 无 2600.00 1400.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 4000.00 论文出版 2600.00 1400.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 1000.00 PCB制版等 600.00 400.00
4. 材料费 3000.00 购买树莓派和STM32相关的硬件设备 1300.00 1700.00
结束

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