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智能分類垃圾桶已逐步走進(jìn)人們的生活，其蘊(yùn)含的科學(xué)原理也具備一定的探究價值。其教學(xué)項目的開發(fā)與制作過程不僅能讓學(xué)生體驗人工智能技術(shù)的應(yīng)用，也能讓學(xué)生參與到垃圾分類的實踐活動中，有效提升他們的創(chuàng)新實踐能力和問題解決能力。
本文針對“智能分類垃圾桶”項目進(jìn)一步創(chuàng)新優(yōu)化，設(shè)計出了一款全自動、低成本的智能分類垃圾桶。
在材料選擇上，我們選用了Kendryte K210處理器為核心開發(fā)的人工智能攝像頭模塊（以下簡稱人工智能攝像頭）作為圖像識別設(shè)備，Arduino UNO控制板作為整個系統(tǒng)的控制核心，同時搭配超聲波傳感器、舵機(jī)模塊、紅外感應(yīng)器、LED燈帶、MP3模塊等共同完成工作。各個部分的傳感器協(xié)調(diào)配合工作，實現(xiàn)了全自動智能垃圾分類的功能，同時還具備一定的“人—桶”交互功能（如圖1）。
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整體功能的創(chuàng)新設(shè)計
本項目從自動感應(yīng)、圖像識別、全自動投放、溢滿判斷和語音播報五個方面對智能分類垃圾桶進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。項目的工作流程如圖2所示。
圖 2 全自動智能分類垃圾桶工作流程圖
1.自動感應(yīng)
為解決垃圾桶的異味問題，我們在垃圾桶的投放口增加了一個紅外感應(yīng)門，使用紅外感應(yīng)器判斷是否有人靠近。當(dāng)用戶靠近垃圾桶時，紅外感應(yīng)器感應(yīng)到人，舵機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動感應(yīng)門，打開垃圾桶蓋，用戶便可投放垃圾。其中，位于垃圾桶上方的托盤供用戶放置垃圾。較之傳統(tǒng)的腳踩開蓋式垃圾桶，自動感應(yīng)開蓋能為用戶帶來更好的使用體驗。
2.圖像識別
我們將圖片垃圾替換成實物垃圾或由3D打印制作的“立體垃圾”，以最大限度地模擬真實使用場景。我們在使用人工智能攝像頭進(jìn)行圖像識別時，增加了模型訓(xùn)練的過程，即先采集所有垃圾的圖像，再標(biāo)記數(shù)據(jù)集，經(jīng)過多次迭代訓(xùn)練，人工攝像頭便能自動識別出垃圾的類型。在教學(xué)中，教師若能以該方式引導(dǎo)學(xué)生探索體驗計算機(jī)識別圖像的整個過程，學(xué)生必然會認(rèn)識到數(shù)據(jù)對結(jié)果的重要性，進(jìn)一步掌握圖像識別原理。
3.全自動投放
在智能垃圾桶的投放功能上，我們創(chuàng)新性地使用兩個舵機(jī)控制托盤的左右和上下移動：通過左右移動，將垃圾運(yùn)載到相應(yīng)的垃圾收集箱上方；通過上下移動傾倒垃圾，從而自動、精準(zhǔn)地投放垃圾。全自動投放是本作品最主要的功能，也是最大的創(chuàng)新點(diǎn)。它已初步實現(xiàn)了對單個垃圾從“扔”到“分類”再到“精準(zhǔn)投放”的全自動過程。教學(xué)項目中若增加類似的功能，不僅能創(chuàng)新項目的功能，還能更加貼合實際需求，幫助學(xué)生進(jìn)一步體會人工智能技術(shù)給生活帶來的便利。
4.溢滿判斷
內(nèi)置在托盤底部的超聲波傳感器可對“溢滿”狀態(tài)進(jìn)行判斷。在用戶每次投放垃圾之前，也就是托盤移動到相應(yīng)的垃圾收集箱上方時，該傳感器能夠判斷各垃圾收集箱是否溢滿。若有一個垃圾收集箱已經(jīng)裝滿，用戶再向垃圾桶投放相同類型的垃圾時，系統(tǒng)將停止“投放”，并給出語音提示。
5.語音播報
在智能分類垃圾桶識別到垃圾后，會語音播報識別結(jié)果，包括垃圾名稱和所屬類型，便于用戶確認(rèn)自己投放的垃圾是否被正確識別。如果某垃圾收集箱的狀態(tài)為溢滿，智能分類垃圾桶會亮起紅色LED燈，同時伴有語音播報，提醒用戶及時清空垃圾桶，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。
