第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
目前再生资源回收已经成为全球潮流，其物资不断循环利用的经济发展模式满足我国可持续发展的战略，其主要标志是资源能够循环利用、保持良好的生态环境。据国家统计局公布的数据显示：“十一五”期间我国回收利用再生资源总量为 4 亿多吨，主要再生资源回收利用总值超过了 6500 亿元，年平均增长率超过了 20%[2]。
做好垃圾分类是保障资源回收效率的重要前提。垃圾分类一般是指按一定规定或标准将垃圾分类储存、分类投放和分类搬运，从而转变成公共资源的一系列活动的总称。垃圾分类的目的是提高垃圾的资源价值和经济价值，力争物尽其用。据中国城市环境卫生协会统计 2014 年我国垃圾年产近 10 亿吨，城镇生活垃圾每年增长 5%至8%[3]。
如今人们的环保意识越来越强，国家也出台了一系列相关政策。国家领导人从国家高度对垃圾分类工作做出了重要指示，明确推行垃圾分类的重要性和必要性。2019年 6 月 6 日，住建部等 9 部门联合发布《关于在全国地级及以上城市全面开展生活垃圾分类工作的通知》，明确到 2020 年，46 个重点城市基本建成生活垃圾分类处理系统，到 2025 年，全国地级及以上城市基本建成生活垃圾分类处理系统。目前，北京、上海、深圳等超大城市先后就生活垃圾管理进行修法或立法，通过督促引导、强化全流程分类、严格执法监管，让更多人行动起来[4]。
废料瓶是一种重要的可回收利用资源，其具有以下特点：
（1）数量庞大：废料瓶是我们生活中常见的可回收利用资源。据统计，我国每年生产的饮料瓶数量在 2000 亿个左右，总重量超过 500 万吨[4,5]。
（2）回收价值高：废料瓶可以分为塑料、铁铝、玻璃三类，而废塑料、废金属、废玻璃都属于我国十大再生资源范围之中。据国家前瞻产业研究院整理：2016 年我国主要再生资源类别回收数量达到 25642.1 万吨，其中废塑料为 1878 万吨，废金属为 937 万吨，废玻璃为 860 万吨；2016 年我国主要再生资源类别价值达到 5902.8 亿元，其中废塑料为 957.8 亿元，废金属为 1829 亿元，废玻璃为 22.4 亿元[5,6]。
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1.2 相关研究与应用
1.2.1 国外垃圾分类现状
随着世界文明的飞速发展，垃圾分类问题越来越受到重视，垃圾分类制度的完善程度成为了衡量一个国家文明程度的重要标准。国外发达国家关于垃圾分类的实施较早，法律法规较为完善，垃圾分类的管理和理念较为成熟且深入人心。下面将从垃圾分类的分类方法、国家政策、教育普及三个方面来分析国外发达国家垃圾分类现状。
（1）分类方法
日本在垃圾分类的分类方法方面可以说是世界上最细致的国家之一，其最大的特点就是分类精细，回收及时。最大分类有可燃物、不可燃物、资源类、粗大类，有害类 5大类，这几类再细分为若干子项目，每个子项目又可分为孙项目，以此类推。可燃类：指可以燃烧的但不包括塑料、橡胶制片、一般剩菜剩饭和一些可燃的生活垃圾都属于可燃垃圾。资源类：报纸、书籍、塑料饮料瓶、玻璃饮料瓶等。不可燃类：废旧小家电（收录音机等）、衣物、玩具、陶瓷制品、铁质容器等。粗大类：大的家具、大型电器（电视机、空调）、自行车等。有害类：电池、医用垃圾、对人身体有害的物质[7]。
（2）国家政策
德国拥有目前世界上最完善、最健全的环境保护法律体系。截止目前，德国联邦政府和各州有关环保的法律、法规多达 8000 余部。德国同时还执行欧盟的 400 多部有关环境保护的法律法规。2000 年，德国政府颁布了《可再生资源法》，该法规定了从事资源再生的企业可获得政府财政支持，进一步促进了德国生活垃圾的回收利用。2016 年，德国出台了一项新的电器回收法案，该法案规定电器零售商有义务提供电器回收服务。20 世纪 90 年代初，德国人还将条形码技术引入到垃圾分类管理中，实现了城市综合性区域垃圾分类的精准溯源[7,8]。
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第 2 章 系统概述
2.1 系统简介
本系统是一个用于商城、学校、广场、公共交通车站等人流密集场合的智能废料瓶分类系统，分为硬件装置、软件系统、识别算法三部分，通过传感、图像识别等技术自动识别用户投入的废料瓶种类（塑料、铁铝、玻璃），并当场返回相应的积分。用户可以在移动端用户 APP 查询积分、使用积分兑换种类丰富的商品，商家可以在移动端商家 APP管理所有商品信息，管理员可以在 Web 端后台管理系统查看、分析、处理整个系统所有的相关数据。本智能垃圾桶系统一方面通过前端精细分类减少后续垃圾分类处理难度，另一方面可以提高公众的垃圾分类意识，并通过积分奖励这种公众喜闻乐见的方式让这个宣教方式可持续化。
相较于传统垃圾分类系统，本系统具有自动化、丰富的积分兑换系统、提高民众参与度、将资源回收成果和收益紧密结合起来、提升资源回收效率、分类结果精准等优点。
本系统的硬件模块结合树莓派开发板和 Android Things 操作系统使得系统的功能更丰富，效率更高。移动端 APP 采用 Android 开发技术，适用范围广，方便使用，优美的界面和丰富的功能让用户更愿意参与到资源回收之中。Web 端后台管理系统使用了目前主流的 SSM 框架，实现稳定安全、功能丰富的管理系统。识别算法结合了条形码识别技术和神经网络识别技术，提高了识别的准确率和效率。
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2.2 系统需求分析
本论文设计开发的基于计算机视觉的智能废料瓶分类系统在功能需求上需要满足以下几点：
（1）系统硬件模块主要需求如下：
1）设计简单高效的机械结构：在满足系统硬件功能需求的基础上，通过设计巧妙的机械结构来尽量减少传感器模块的数量，降低硬件成本。
2）提供系统所需的硬件支持：选择合理的传感器模块，保障系统硬件功能的正常运行。
3）保障整个系统流畅、高效的运行：选择合适的中心处理模块开发板和硬件装置操作系统，协调传感器模块相互之间的工作，控制系统的运行流程。
4）与云端服务器之间快速、稳定的通信：硬件装置需要具备从云端服务器接收信息和发送信息的功能。
（2）系统软件系统主要需求如下：
1）云服务器功能设计：系统云服务器需要保障与系统组成部分之间的正常通信、处理系统各组成部分发送的请求。
2）简洁合理的数据库表设计：设计好各个表的属性，处理好各个表之间的关系。
3）功能丰富的移动端用户 APP 设计：为用户提供注册登录、积分兑换、投诉申请三大功能模块。
4）平台稳定的移动端商家 APP 设计：为商家提供登陆、商品管理两大功能模块。
5）功能完善的 Web 端后台管理系统设计：为管理员提供登陆、用户管理、商家管理、商品管理、投递记录管理、投诉处理六大功能模块。
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3.1 硬件装置开发板与操作系统 .......................................... 11
3.1.1 开源硬件与传统开发板 .......................................... 11
3.1.2 树莓派 ................................ 12
3.1.3 Arduino 开发板 ............................... 14
第 4 章 系统软件系统设计 ................................................. 29
4.1 软件系统移动端与 Web 端开发技术 .................................... 29
4.1.1 Android 操作系统 .............................................. 29
4.1.2 SSM 开发框架 .................................................. 30
第 5 章 系统识别算法设计 .............................. 43
5.1 识别算法相关技术 ............................... 43
5.1.1 OpenCV 计算机视觉库 ................................... 43
5.1.2 TensorFlow 深度学习框架 ....................................... 43
第 5 章 系统识别算法设计
5.1 识别算法相关技术
5.1.1 OpenCV 计算机视觉库
OpenCV 是一个基于 BSD 许可（开源）发行的跨平台计算机视觉库，可以运行在 Linux、Windows、Android 和 Mac OS 操作系统上。它轻量级而且高效——由一系列 C 函数和少量 C++类构成，同时提供了 Python、Ruby、MATLAB 等语言的接口，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法[20,21,22]。
OpenCV 相较于其他主流视觉函数库具有三大优点：（1）运行效率高、稳定、其他计算机视觉库的兼容性较好。（2）是一个开源的计算机视觉库，大部分的 API 都是免费的
（3）无硬件特殊依赖。
OpenCV 致力于真实世界的实时应用，通过优化的 C 代码的编写对其执行速度带来了可观的提升，使其在人机互动、物体识别、图像分割、人脸识别、动作识别等计算机视觉领域都具有优秀的表现。OpenCV 与当前其他主流视觉函数库的性能比较如图 5-1 所示：
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6.1 总结
目前政府社会都对资源回收和垃圾分类的状况愈加关注，做好垃圾分类是提高资源回收效率的重要前提。废料瓶是一种重要的可回收资源，其具有数量庞大、回收价值高、不同种类后续处理方式不同三大特点，因而废料瓶分类系统具有很高的研究价值。本论文设计开发了一套基于计算机视觉的智能废料瓶分类系统，根据实际应用需求设计开发了硬件装置、软件系统和识别算法。在硬件装置上满足体积轻巧、成本低廉、性价比高、运行流畅、可广泛布点的需求；在软件系统上，开发了面向用户的移动端用户 APP、面向商家的移动端商家 APP 和面向管理员的 Web 端后台管理系统，为用户提供积分兑换的功能、为商家提供销售商品的平台、为管理员提供完善的后台管理系统。此外，本系统的识别算法设计了两种的识别模式：条形码识别和神经网络识别，两种识别模式配合工作，提高了识别的效率及准确率。
本论文的主要工作如下：
（1）实现系统硬件装置：设计简洁合理的硬件装置结构，选择树莓派和 Arduino 作为硬件装置的控制核心，尽量减少传感器模块的数量，选择 Android Things 操作系统实现对传感器模块和系统流程的高效控制，使用 OkHttp 框架来保证硬件装置与云端服务器之间的高效通信。
（2）实现软件系统中的云服务器设计：充分分析云服务器的功能需求，设计云服务器合理高效的工作流程，保障云服务器与系统其他组成部分通信的稳定、快速、可靠。
（3）实现软件系统中的移动端用户 APP 和移动端商家 APP：选择 Android 操作系统保障系统应用软件高效、稳定、安全的运行，对用户和商家进行充分的需求分析，设计合理的数据库表结构，提供完善的系统功能，设计友好的人机交互界面，设计合理的系统工作流程。
（4）实现软件系统中的 web 端后台管理系统：使用 SSM 框架开发基于 MVC 设计模式的 Web 网站，对管理员进行充分的需求分析，设计友好的人机交互界面，满足管理员的使用需求，实现登陆、用户管理、商家管理、商品管理、投递记录管理、投诉处理六大功能模块。
（5）实现系统识别算法：结合废料瓶的常见种类和重要可回收利用资源的种类确定废料瓶的分类：塑料、铁铝、玻璃，实现两种识别模式：条形码识别和神经网络识别，设计合理的识别算法工作流程，设计高效的条形码检测算法，选择条形码识别库，废料瓶图像的收集，神经网络模型的选择、训练、测试。
参考文献（略）