CN113998338A - 智能垃圾分类系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于智能垃圾分类技术领域，具体涉及智能垃圾分类系统。智能垃圾分类系统包括终端设备层，终端设备层包括垃圾房传感子层、垃圾房执行子层和垃圾房控制子层；传感器计算层，包括嵌入式协议转换系统和工业一体机垃圾房终端；云平台分析层，用于根据历史垃圾回收信息数据实现数据计算、数据分析、数据可视化、远程监控、数据溯源和数据模型构建；智能应用层，用于实现垃圾箱状态显示、垃圾箱满预警、垃圾箱温湿度控制、智能开箱以及智能识别垃圾分拣；控制板卡。本发明具有能够对投递进垃圾箱的垃圾进行分类分拣以及整合，方便居民有效地进行垃圾分类回收，提高资源回收利用效率的特点。
Description
技术领域
本发明属于智能垃圾分类技术领域，具体涉及智能垃圾分类系统。
背景技术
随着我国城市化水平的大幅度提高，城镇居民数量日益增多，居民日常生活产生的生活垃圾数量也越来越多。目前，生活垃圾处理方面做得还是不够到位，比如垃圾分类回收方面，大多数城市所设置的垃圾收集容器基本只分为可回收物和其他垃圾两类，同时在经济效益的驱使下，城市当中大多数的可回收物都会被拾荒者或供销系统进行回收。从整体上看，我国垃圾在分类上确实是比较充分和完整的，但是仍然是存在一定的问题，因为还有大量的低值可回收物质还没有被充分利用起来；另外，还有很多的有害垃圾没有被单独分开就直接焚烧或填埋，这将会给人们的生活环境带来巨大威胁，同时还将加大垃圾处理难度以及垃圾资源化。
随着“互联网+技术”的发展，出现了很多智能化垃圾处理设备。以“小黄狗”“德澜仕”等智能分类垃圾桶为例，其采用了用户身份识别、二维码扫描、积分累计兑换等方式，一定程度上调动了居民对于垃圾分类的积极性。就垃圾处理产业而言，智能垃圾分类技术的运用主要集中于垃圾分类智能激励系统(中国专利文献申请号CN202110746487.8)、物品扫描装置(中国专利文献申请号CN202021527003.8)、智能开箱(中国专利文献申请号CN202022563528.3)等，上述专利的主要缺点在于：没有打破传统的垃圾分类设施的限制，只是将各类垃圾收集容器整合在一起，通过所谓的“智能化”服务，依靠居民的垃圾分类意识进行投递，最终回收还是“分了类，一锅烩”的状况。
因此，设计一种能够对投递进垃圾箱的垃圾进行分类分拣以及整合，方便居民有效地进行垃圾分类回收，提高资源回收利用效率的智能垃圾分类系统，就显得十分必要。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中，传统的垃圾分类设施受应用场景限制，只是将各类垃圾收集容器整合在一起，并没有有效地进行垃圾分类回收的问题，提供了一种能够对投递进垃圾箱的垃圾进行分类分拣以及整合，方便居民有效地进行垃圾分类回收，提高资源回收利用效率的智能垃圾分类系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
智能垃圾分类系统，包括：
终端设备层，包括垃圾房传感子层、垃圾房执行子层和垃圾房控制子层；
所述垃圾房传感子层，用于采集垃圾房内的温湿度数据信息、采集垃圾房门开关状态信息和采集垃圾识别后的类别数据信息；
所述垃圾房执行子层，用于实现对垃圾的破袋、传送以及对垃圾房内的温度加热；
所述垃圾房控制子层，用于实现对垃圾的传送、分拣以及对垃圾房内的温度加热过程的控制；
传感器计算层，包括嵌入式协议转换系统和工业一体机垃圾房终端；
所述嵌入式协议转换系统，用于实现物联网协议与终端设备层协议的转换；
所述工业一体机垃圾房终端，用于执行对采集数据的预处理工作，同时第一时间进行垃圾箱满预警响应；
云平台分析层，用于根据历史垃圾回收信息数据实现数据计算、数据分析、数据可视化、远程监控、数据溯源和数据模型构建；
智能应用层，用于实现垃圾箱状态显示、垃圾箱满预警、垃圾箱温湿度控制、智能开箱以及智能识别垃圾分拣；
控制板卡，通过RS485总线与嵌入式协议转换系统和工业一体机垃圾房终端连接，并与垃圾房传感子层、垃圾房执行子层和垃圾房控制子层连接。
作为优选，所述垃圾房传感子层包括若干个用于采集垃圾房内的温湿度数据信息的温湿度传感器，若干个用于采集垃圾房门开关状态信息的门感应传感器以及若干个用于采集垃圾识别后的类别数据信息的识别传感器。
作为优选，所述垃圾房执行子层包括用于对垃圾房内的温度加热的热风机、用于对垃圾进行传送的传送带和用于对垃圾破袋的破袋机。
作为优选，所述垃圾房控制子层包括风机、电机、加热器和分拣机械手；所述风机和加热器用于对垃圾房内的温度加热过程的控制；所述电机用于对垃圾的传送控制；所述分拣机械手用于对垃圾的分拣控制。
作为优选，所述云平台分析层包括垃圾回收信息物联网云平台和机房；所述垃圾回收信息物联网云平台接收历史垃圾回收信息数据；所述机房用于对历史垃圾回收信息数据实现数据计算、数据分析、数据可视化、对垃圾房的远程监控、数据溯源和数据模型构建。
作为优选，所述智能应用层包括：
垃圾箱状态显示模块，用于对垃圾箱的垃圾存储状态进行显示；
垃圾箱满预警模块，用于对垃圾箱处于装满垃圾状态时机械能报警；
垃圾箱温湿度控制模块，用于对垃圾箱内的温湿度进行控制；
智能开箱模块，用于控制垃圾箱门的开合；
智能识别垃圾分拣模块，用于对垃圾类别进行识别并分拣本。
作为优选，所述垃圾房控制子层还包括工控机；所述工控机连接有触屏显示器；所述触屏显示器上设有垃圾箱状态按键，用于查看当前垃圾箱的状态；所述触屏显示器上还设有传感器参数设置键，用于实现温湿度控制可视化以及查看分拣机械手的运行状态。
作为优选，所述垃圾房控制子层采用手动控制箱集成；所述手动控制箱采用防水工业设计以及不锈钢材料制作；所述手动控制箱设置有观察窗口，用于观察工控机上显示的屏幕数据。
作为优选，所述设备终端层还包括垃圾房智能监控模块，用于监控用户的垃圾投递行为。
本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明解决了当前市面上智能垃圾处理箱的局限性，对整个垃圾分类处理流程提供智能化的解决方案、对垃圾房内的垃圾处理设备进行有效调控，并设立专用数据存储服务器，保证数据的可溯源性。利用模块化集装箱体做垃圾分类回收站，在建筑结构的使用上就完成了一层回收再利用；(2)本发明针对垃圾分类回收，解决各类垃圾中可回收再利用的物品的价值二次创造；(3)本发明利用软硬协同，借助科技发展优势，利用大数据和人工智能，更好的推动制造业智能化，去低效化；(4)本发明垃圾分拣过程中回收再利用的资源，可以做成环保材料，从而最大限度的实现资源的回收再利用，减轻政府的垃圾处理成本，提高生活垃圾的分类价值和利用价值，从而可以让居民认识到垃圾分类的重要性，推动垃圾分类意识的进一步提高。
附图说明
图1为本发明智能垃圾分类系统的一种结构框架图；
图2为本发明中基于Faster RCNN的深度学习算法的一种过程示意图；
图3为本发明中智能垃圾分类回收垃圾房的一种整体架构图；
图4为本发明中智能垃圾分类回收垃圾房中干湿垃圾回收处理垃圾房的一种结构示意图；
图5为本发明中干湿垃圾回收处理垃圾房的一种运作流程图；
图6为本发明中智能垃圾分类回收垃圾房中厨余垃圾专项处理垃圾房的一种结构示意图；
图7为本发明中厨余垃圾专项处理垃圾房的一种背视图。
图中：电机1、传送带2、投放口3、破袋机4、过滤口5、湿垃圾存储箱6、干垃圾存储箱7、分拣机械手8、识别传感器9、加料口10、发酵箱11、加热毯12、出料口13、破袋机构14、垃圾袋收集箱15、粉碎机构16、开门机构17、脱水机构18、油水收集箱19、电磁阀门20、消毒罐21、干燥罐22、除臭罐23、风机24、螺旋输送机构25。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
如图1所示的智能垃圾分类系统，包括：
终端设备层，包括垃圾房传感子层、垃圾房执行子层和垃圾房控制子层；
垃圾房传感子层，用于采集垃圾房内的温湿度数据信息、采集垃圾房门开关状态信息和采集垃圾识别后的类别数据信息；
垃圾房执行子层，用于实现对垃圾的破袋、传送以及对垃圾房内的温度加热；
垃圾房控制子层，用于实现对垃圾的传送、分拣以及对垃圾房内的温度加热过程的控制；
传感器计算层，包括嵌入式协议转换系统和工业一体机垃圾房终端；
所述嵌入式协议转换系统，用于实现物联网协议与终端设备层协议的转换；
所述工业一体机垃圾房终端，用于执行对采集数据的预处理工作，同时第一时间进行垃圾箱满预警响应；
云平台分析层，用于根据历史垃圾回收信息数据实现数据计算、数据分析、数据可视化、远程监控、数据溯源和数据模型构建；
智能应用层，用于实现垃圾箱状态显示、垃圾箱满预警、垃圾箱温湿度控制、智能开箱以及智能识别垃圾分拣；
控制板卡，通过RS485总线与嵌入式协议转换系统和工业一体机垃圾房终端连接，并与垃圾房传感子层、垃圾房执行子层和垃圾房控制子层连接
根据垃圾房投放实际过程中的不同使用场景，本实施例提供了一种基于智能垃圾分类系统设计的垃圾房，所述垃圾房分为干湿垃圾回收处理、厨余垃圾专项处理两种模式，具体框架结构如图2所示。
以一个社区环境为例，共含有4个干湿垃圾回收处理垃圾房、6个厨余垃圾专项处理垃圾房。其中，每个干湿垃圾回收处理垃圾房内均装有2个投递口监控摄像头、2个垃圾房内部检测摄像头、4个干湿垃圾分类处理传感器、3 个分拣机械手、1台自动破袋机、2台压缩机、4箱垃圾存储箱、1台热机、3 台电机、1台湿垃圾液体储存槽，摄像头检测通过垃圾房控制子层执行，传感器通过控制板卡和垃圾房控制子层进行操作，分拣机械手通过电机驱动控制，破袋机、热机通过电机驱动控制。厨余垃圾专项处理垃圾房内均装有2个湿度传感器、2个风扇转速计、2个电机转速计、2个桶型加热器、3个桶加热器、 2台风机、2台电机。除湿通过加热器完成，干燥通过桶型加热器和桶加热器完成，除臭通过活性炭。垃圾房内提供箱满预警功能，当垃圾房内的垃圾存储量达到阈值并且长时间未清理的时候，会将报警信息发送到终端及服务器。其中，报警方式采用声光报警。
垃圾房与交换机的连接部分以及灌溉系统与交换机的连接部分均采用光纤，采用六类网线进行数据传输。温湿度传感器数据的获取均采用工业RS485 总线完成，信号线均采用工业级标准的屏蔽线。手动控制时需要接入220V市电，需要供电功率340W。
干湿垃圾回收处理垃圾房的结构示意图如图4所示，具体包括电机1、传送带2、投放口3、破袋机4、过滤口5、湿垃圾存储箱6、干垃圾存储箱7、分拣机械手8、识别传感器9。干湿垃圾回收处理垃圾房的运作流程如图5所示。
其中，控制板卡为自主研发产品，用于温湿度传感器数据的获取，加湿器、风机、电机、传感器、机械手的控制、协议的解析，以及与工控机进行通信；触屏工控机采用12.1寸一体式工控机；干湿垃圾处理垃圾房控制子层模块均放置于手动控制箱内，所述手动控制箱采用防水工业设计、不锈钢材料制作，同时设置观察窗口，用于观察工控机显示屏幕上的数据。手动控制操作时提供远程控制和数据报送功能，根据垃圾箱实时的处理状态，计算相应的工作模式和处理方式，并且将用户投递垃圾箱的垃圾进行扫描处理，整理数据并上传到服务器。垃圾房通过手动控制箱中的工控机与垃圾房内交换机相连，所述垃圾房内交换机与机房的核心交换机连接，从而实现网络的互联互通。
干湿垃圾回收处理垃圾房均采用独立控制与集中控制相结合的方式实现独立传感器控制和机械手控制，控制方式均采用开关量控制。蚕房的垃圾处理效率设置既能远程设定，也能够本地手动控制设置。其中，本地设置的优先级高于远程设定，当网络不通的时候，以本地设定参数为准。
如图6和图7所示，为厨余垃圾专项处理垃圾房的一种结构示意图，具体包括投放口3、加料口10、发酵箱11、加热毯12、出料口13、破袋机构14、垃圾袋收集箱15、粉碎机构16、开门机构17、脱水机构18、油水收集箱19、电磁阀门20、消毒罐21、干燥罐22、除臭罐23、风机24、螺旋输送机构25。
厨余垃圾专项处理垃圾房整体尺寸长3.4米、宽1.2米、高2.4米；发酵箱容量1500L；每个垃圾房装有一套预处理系统(破袋机构)、脱水机构(油水分离)、粉碎机(粉碎机构)、称重系统以及微生物降解系统。垃圾进入到垃圾箱，预先进行破袋处理，然后将垃圾中的油水进行滤除分离，之后通过粉碎机对厨余垃圾进行粉碎处理，将垃圾内部含有的骨头类、鱼肉海鲜等不易处理的大垃圾进行预先粉碎，之后进行称重和加微生物降解。然后对箱内的湿度通过温湿度传感器进行检测，如果超过阈值，则进行加热、干燥以及气体过滤，实现厨余垃圾的生态自降解。
具体实施案例中控制查询终端为远程电脑或者其他移动端设备，安装在个人设备或者具体办公地点，工作人员通过该终端远程设定各个箱体容量阈值、垃圾房内温湿度标准以及垃圾处理的效率。终端服务器中存有所有垃圾分拣传感器所采集的居民垃圾投放数据以及算法优化数据库。
另外，本发明的智能垃圾分类系统基于Faster RCNN的深度学习算法，该算法可以对投递进入垃圾箱的垃圾进行目标检测，然后对指定类型的垃圾进行分类识别，从而将数据传给机械手，方便机械手进行相应的垃圾分类分拣工作。 Faster RCNN算法是在RCNN、Fast RCNN的基础上出现的算法，性能上有了更多的进步。该算法将特征抽取、提取、回归、分类都整合在了一个网络中，使得综合性能有较大提高，检测速度明显提高。
基于Faster RCNN的深度学习算法具体如图2所示：
Faster RCNN先对图像进行卷积提取特征，然后进入RPN层获得候选区域，接着通过Rol Pooling层，最后全连接层进行分类和回归。从提取图像特征、获得候选区域到最后的分类和回归，整个分类流程都在神经网络中得到，并且卷积神经网络提取的特征信息可以在整个网络流程中得到共享，提高了算法的效率，实现了两阶段模型的深度化。其基本结构分为以下几个主要部分：
1.输入测试图像，进行特征提取：输入大小固定的整张图片，经过卷积层提取特征图。
2.生成区块建议：经过区块提议网络生成区块建议。
3.感兴趣区域池化:收集输入的特征图和建议，综合这些信息提取建议特征图。
4.分类和回归：将感兴趣区域池生成的建议特征图分别传入归一化指数函数进行分类，利用回归方法计算物体的精确位置。
进一步的，为保证垃圾房对垃圾处理的分拣效率以及机械的保养要求，可将垃圾房分为多个模块，运用集装箱式建筑结构的特性，通过模块化分装将每个子区域独立控制。考虑到连通性，在每个子区域能够独立控制的基础上限制相邻子区域的机械结构设计拥有一定的预留空间进行连接，且在相邻子区域的接壤处，温湿度传感器的控制精度相对较低。
进一步的，所述设备终端层还包括垃圾房智能监控模块，用于监控用户的垃圾投递行为。具体的，在垃圾房垃圾投递处顶部两侧安装多个监控摄像头，用于监控用户的垃圾投递行为。并且垃圾房投放口出设置一个监测摄像头，用于自动开门。垃圾房内监控摄像头同样通过交换机实现网络互通。所述监控模块包括监控摄像头和信号连接设备，将摄像头信号接入工控机，发给远程服务器。
另外，通过边缘计算和存储处理的数据，其数据量会比较大，为此采用基于Hadoop的语义大数据分布式推理框架，该框架利用Hadoop云计算框架所提供的高性能、可扩展性以及强大的计算能力，提供一种基于属性链的推理方法，这种基于属性链的推理方法可以有效地为复杂语义关联数据进行语义建模并且依据对应的模型进行语义推理，从而发掘数据之间的隐含联系，提高数据处理的效率，加快对数据的有效存储和建模。
本发明技术方案中，垃圾房传感子层用于采集垃圾房的所需实时数据，垃圾房传感子层将数据信息发送至垃圾房控制子层，通过自研控制板卡进行协议分析以及与工控机的通信，依靠垃圾房执行子层完成温湿度控制、垃圾分拣机械手控制、垃圾破袋结构控制以及自动开门控制。所述垃圾房可根据实际需要均匀设置多个温湿度检测点、机械手垃圾分类检测点、破袋机实时工作检测点、自动门响应检测点、垃圾箱状态检测点。
其中，垃圾房通过自动开门将垃圾回收进破袋机，通过破袋机对垃圾进行破袋处理，将破袋过后的垃圾输送到传送带，通过分拣机械手和传感器识别将垃圾进行分类分拣，并且同时根据实时的温湿度检测，保证整个垃圾房的温湿度维持在一定阈值。当检测到的当前温湿度高于或低于设定值时，启动温湿度报警装置。当检测到当前垃圾箱状态为满时，启动垃圾箱状态报警装置。控制子层的控制方式均采用开关量控制。控制查询终端为远程电脑，可根据实际需要安装在不同社区服务点或者居民楼小区，工作人员可通过终端远程设定垃圾处理的控制量并安排垃圾房的额定存储目标。
垃圾房可根据实际需要模块化划分为多个不同区域，每个区域安装一套基础的垃圾分类处理装置，用于处理居民日常生活产生的以纸类、塑料瓶、厨余垃圾为主的生活垃圾。通过独立传感器检测垃圾房的温湿度，当整体垃圾房温度低于设定值时，通过垃圾房控制子层启动电子发动风机和热机进行加热处理。当整体垃圾房湿度高于设定值时，通过垃圾房控制子层启动电机发动加热器对垃圾房进行烘干加热。其中，垃圾房湿度阈值为安装时设定的通用值，也可通过终端控制软件进行设定。垃圾房控制子层包含两种方式设定单次垃圾处理量。方式一为固定时间，即根据设定值按固定时间频率进行垃圾的分类分拣流程操作；方式二为自动执行，通过检测垃圾箱投放口开关门状态、根据垃圾是否投递到垃圾箱实现。
本发明解决了当前市面上智能垃圾处理箱的局限性，对整个垃圾分类处理流程提供智能化的解决方案、对垃圾房内的垃圾处理设备进行有效调控，并设立专用数据存储服务器，保证数据的可溯源性。利用模块化集装箱体做垃圾分类回收站，在建筑结构的使用上就完成了一层回收再利用；本发明针对垃圾分类回收，解决各类垃圾中可回收再利用的物品的价值二次创造；本发明利用软硬协同，借助科技发展优势，利用大数据和人工智能，更好的推动制造业智能化，去低效化；本发明垃圾分拣过程中回收再利用的资源，可以做成环保材料，从而最大限度的实现资源的回收再利用，减轻政府的垃圾处理成本，提高生活垃圾的分类价值和利用价值，从而可以让居民认识到垃圾分类的重要性，推动垃圾分类意识的进一步提高。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.智能垃圾分类系统，其特征在于，包括：
终端设备层，包括垃圾房传感子层、垃圾房执行子层和垃圾房控制子层；
所述垃圾房传感子层，用于采集垃圾房内的温湿度数据信息、采集垃圾房门开关状态信息和采集垃圾识别后的类别数据信息；
所述垃圾房执行子层，用于实现对垃圾的破袋、传送以及对垃圾房内的温度加热；
所述垃圾房控制子层，用于实现对垃圾的传送、分拣以及对垃圾房内的温度加热过程的控制；
传感器计算层，包括嵌入式协议转换系统和工业一体机垃圾房终端；
所述嵌入式协议转换系统，用于实现物联网协议与终端设备层协议的转换；
所述工业一体机垃圾房终端，用于执行对采集数据的预处理工作，同时第一时间进行垃圾箱满预警响应；
云平台分析层，用于根据历史垃圾回收信息数据实现数据计算、数据分析、数据可视化、远程监控、数据溯源和数据模型构建；
智能应用层，用于实现垃圾箱状态显示、垃圾箱满预警、垃圾箱温湿度控制、智能开箱以及智能识别垃圾分拣；
控制板卡，通过RS485总线与嵌入式协议转换系统和工业一体机垃圾房终端连接，并与垃圾房传感子层、垃圾房执行子层和垃圾房控制子层连接。
2.根据权利要求1所述的智能垃圾分类系统，其特征在于，所述垃圾房传感子层包括若干个用于采集垃圾房内的温湿度数据信息的温湿度传感器，若干个用于采集垃圾房门开关状态信息的门感应传感器以及若干个用于采集垃圾识别后的类别数据信息的识别传感器。
3.根据权利要求1所述的智能垃圾分类系统，其特征在于，所述垃圾房执行子层包括用于对垃圾房内的温度加热的热风机、用于对垃圾进行传送的传送带和用于对垃圾破袋的破袋机。
4.根据权利要求1所述的智能垃圾分类系统，其特征在于，所述垃圾房控制子层包括风机、电机、加热器和分拣机械手；所述风机和加热器用于对垃圾房内的温度加热过程的控制；所述电机用于对垃圾的传送控制；所述分拣机械手用于对垃圾的分拣控制。
5.根据权利要求1所述的智能垃圾分类系统，其特征在于，所述云平台分析层包括垃圾回收信息物联网云平台和机房；所述垃圾回收信息物联网云平台接收历史垃圾回收信息数据；所述机房用于对历史垃圾回收信息数据实现数据计算、数据分析、数据可视化、对垃圾房的远程监控、数据溯源和数据模型构建。
6.根据权利要求1所述的智能垃圾分类系统，其特征在于，所述智能应用层包括：
垃圾箱状态显示模块，用于对垃圾箱的垃圾存储状态进行显示；
垃圾箱满预警模块，用于对垃圾箱处于装满垃圾状态时机械能报警；
垃圾箱温湿度控制模块，用于对垃圾箱内的温湿度进行控制；
智能开箱模块，用于控制垃圾箱门的开合；
智能识别垃圾分拣模块，用于对垃圾类别进行识别并分拣。
7.根据权利要求1所述的智能垃圾分类系统，其特征在于，所述垃圾房控制子层还包括工控机；所述工控机连接有触屏显示器；所述触屏显示器上设有垃圾箱状态按键，用于查看当前垃圾箱的状态；所述触屏显示器上还设有传感器参数设置键，用于实现温湿度控制可视化以及查看分拣机械手的运行状态。
8.根据权利要求7所述的智能垃圾分类系统，其特征在于，所述垃圾房控制子层采用手动控制箱集成；所述手动控制箱采用防水工业设计以及不锈钢材料制作；所述手动控制箱设置有观察窗口，用于观察工控机上显示的屏幕数据。
9.根据权利要求1所述的智能垃圾分类系统，其特征在于，所述设备终端层还包括垃圾房智能监控模块，用于监控用户的垃圾投递行为。
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