垃圾分類應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23514垃圾分類應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)案例 1275081.1系統(tǒng)總體設(shè)計 1284391.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計 2146691.3功能模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 3220141.3.1硬件端設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 3240321.3.2服務(wù)器端設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 9318801.3.3客戶端設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 121.1系統(tǒng)總體設(shè)計本垃圾分類系統(tǒng)大致包含了以下三個部分的內(nèi)容：硬件終端，個人用戶端和服務(wù)器端。在系統(tǒng)總體設(shè)計的原則方面，保持了多個模塊各自獨(dú)立，使其都專注于實(shí)現(xiàn)自身的功能，減少聯(lián)系，這樣方便人員對系統(tǒng)各部分的維護(hù)，以及系統(tǒng)邏輯實(shí)現(xiàn)上的開發(fā)。系統(tǒng)的總體設(shè)計如下圖5-1所示：圖5-1系統(tǒng)總體設(shè)計圖Fig.5-1SystemOverallDesignDrawing硬件終端層面我們設(shè)計了一個智能垃圾桶，該設(shè)備主要包括了一些用于識別垃圾和系統(tǒng)自身所需的硬件部分，比如倉門開關(guān)、攝像頭等等，還具備了一些用于垃圾分類方面的功能，對垃圾圖像的拍照及上傳功能，反饋結(jié)果接收功能，圖像質(zhì)量模糊檢測功能以及定位功能。在個人客戶端層面，我們采用小程序的設(shè)計，因?yàn)楦鶕?jù)現(xiàn)如今人們對手機(jī)應(yīng)用程序的使用情況來看，小程序越來越有可能超越傳統(tǒng)的APP方式的趨勢，它不僅不需要特地下載安裝，還僅在微信中查找之后就可以直接使用?？蛻舳藢用嬷饕峁┑墓δ馨▊€人中心，垃圾圖像的掃描與傳輸，結(jié)果的接收與展示，垃圾桶位置查詢，垃圾分類相關(guān)新聞知識的展示，每月各類垃圾數(shù)量的統(tǒng)計展示。服務(wù)器端最主要的是利用垃圾分類算法模型進(jìn)行垃圾類別的檢測與判斷，其主要提供的功能有：對硬件終端和個人客戶端拍攝的垃圾圖像的接收，垃圾分類算法模型檢測功能，結(jié)果發(fā)送功能，垃圾桶位置的統(tǒng)計功能，各用戶各種類垃圾的數(shù)量統(tǒng)計功能和其他功能（如模型更新等）。1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計數(shù)據(jù)庫方面主要采用MySQL數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，我們使用其可以將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，可以讓程序員有針對性的去維護(hù)數(shù)據(jù)庫。MySQL數(shù)據(jù)庫主要有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：1、開源，可以允許廣大開發(fā)者借鑒其代碼來做擴(kuò)展，有利于集思廣益，完善產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)；2、支持大型數(shù)據(jù)庫，能夠處理達(dá)到千萬級以上的數(shù)據(jù)；3、采用SQL語言，更容易操作，并且與傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的操作語言并無太大差異，對使用者友好，容易上手；4、開發(fā)者可以自主實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的改裝，分享開源成果。結(jié)合上述優(yōu)點(diǎn)，本論文決定使用MySQL數(shù)據(jù)庫來保存和處理所要使用到的表。在垃圾分類系統(tǒng)的開發(fā)中，會涉及以下幾個表，下面將一一介紹：（1）個人用戶信息表該表用于記錄個人用戶的信息，主要包括用戶ID,昵稱，姓名，性別和手機(jī)號，另外還加入了該用戶所投垃圾的數(shù)量，所投垃圾的種類，該表的字段設(shè)計如下表5-1所示：表5-1個人用戶信息表Tab.5-1PersonalUserInformationTable字段數(shù)據(jù)類型主鍵字段描述User_idUser_nicknameUser_nameUser_numberGarbage_type_numGarbage_numIntStringStringIntIntInt是否否否否否用戶ID昵稱姓名手機(jī)號所投垃圾的種類數(shù)所投垃圾的數(shù)量（2）垃圾桶位置信息表該表用于記錄垃圾桶的位置定位信息，包括垃圾桶的ID，IP地址，垃圾桶位置詳細(xì)信息等，該表的字段設(shè)計如下表5-2所示：表5-2垃圾桶位置信息表Tab.5-2TrashBinLocationInformationTable字段數(shù)據(jù)類型主鍵字段描述Trashbin_idInt是垃圾桶IDTrashbin_IP_addressString否垃圾桶IP地址Trashbin_regionString否桶位置詳細(xì)信息Trashbin_StoragetimeDate否桶放置時間Trashbin_administratorString否管理負(fù)責(zé)人（3）垃圾種類表該表主要用于記錄各種垃圾的相關(guān)信息，包括垃圾的ID，垃圾物品名稱，垃圾所屬類別等，該表的字段設(shè)計如下表5-3所示:表5-3垃圾種類表Tab.5-3GarbageTypesTable字段數(shù)據(jù)類型主鍵字段描述Garbage_idInt是垃圾物品的IDGarbage_nameString否垃圾物品的名稱Garbage_typeString否垃圾的所屬類別（4）垃圾分類新聞信息表該表用于記錄垃圾分類相關(guān)的新聞信息資訊，包括新聞編號，標(biāo)題，作者，發(fā)布人，發(fā)布時間，新聞內(nèi)容。該表的字段設(shè)計如下表5-4所示：表5-4垃圾分類新聞資訊表Tab.5-4GarbageClassificationNewsInformationSheet字段數(shù)據(jù)類型主鍵字段描述News_idInt是新聞IDNews_titleString否新聞標(biāo)題News_authorString否作者News_pubisherString否發(fā)布人News_pubdateString否發(fā)布時間News_contentString否新聞內(nèi)容1.3功能模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1.3.1硬件端設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1、硬件端設(shè)計硬件終端層面我們設(shè)計了一個智能的垃圾桶，其是人們用來進(jìn)行垃圾分類的主要部件，人們可以用它來判斷垃圾的種類，并且對垃圾進(jìn)行針對性的投放。從硬件方面來講，主要包括了以下幾個部分：垃圾桶：設(shè)置了四個垃圾種類的垃圾桶，分別是可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾四種類別的垃圾桶，材料為高密度聚乙烯，具有抗熱、阻燃、耐腐蝕和可回收的優(yōu)點(diǎn)；數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：主要用來對拍攝到的垃圾圖片通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器端，并且接收服務(wù)器端返回的分類結(jié)果。使用ESP8266模塊，其能夠?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，也可以接收數(shù)據(jù)包并進(jìn)行解析。門倉開關(guān)：用于實(shí)現(xiàn)垃圾桶的倉門的打開與關(guān)閉，根據(jù)系統(tǒng)返回的分類結(jié)果開啟對應(yīng)種類垃圾桶的倉門，開啟20秒后自動關(guān)閉，也可人為手動打開，方便人們直接手動投放；電源系統(tǒng)：為垃圾桶提供電力能源，保持垃圾桶內(nèi)部系統(tǒng)的正常運(yùn)作；聲音系統(tǒng)：用于提示用戶將垃圾放在攝像頭的有效拍攝范圍下，提示系統(tǒng)在垃圾種類識別過程中進(jìn)行的每一個步驟名稱，如“請將垃圾放入藍(lán)色方框內(nèi)”、“系統(tǒng)正在識別”，提示用戶所判別的垃圾所屬種類的信息，如：“該垃圾屬于XX垃圾，倉門已打開，請您投放到該垃圾桶中”；攝像頭：用于對垃圾進(jìn)行拍照，分辨率為640×640，并且對于圖像模糊的情況可以自動調(diào)焦，使之清晰。另外環(huán)繞攝像頭設(shè)置了燈光照明裝置，用于改善光線不足的條件下，圖像的拍攝質(zhì)量；放置臺：標(biāo)有藍(lán)色框線區(qū)域的放置臺，該區(qū)域在攝像頭拍攝的有效面積范圍之內(nèi)；GPS定位：用于獲得垃圾桶位置，其使用北斗模塊SKG09D進(jìn)行定位，該模塊具有精度高，功耗低，體積小，能夠在-40℃至85℃的環(huán)境下滿足使用，采用北斗衛(wèi)星進(jìn)行定位，并且可以將位置信息通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊傳遞到服務(wù)器上，由于垃圾桶并不是經(jīng)常變換位置，因此上傳位置的頻率會低一些，為每6小時上傳一次。智能垃圾桶能夠提供的功能及其運(yùn)行流程主要包括以下幾點(diǎn)：垃圾分類與提示功能該功能主要進(jìn)行垃圾圖像的采集，與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，對分類結(jié)果的處理。主要流程設(shè)計是：首先由智能垃圾桶的攝像頭對放置臺上藍(lán)色區(qū)域內(nèi)的垃圾進(jìn)行拍照，得到該垃圾的圖片，之后將圖片利用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器端，服務(wù)端判斷垃圾的種類并將結(jié)果返回，垃圾桶對結(jié)果進(jìn)行接收，根據(jù)結(jié)果中垃圾的類型調(diào)用倉門系統(tǒng)，開啟對應(yīng)的垃圾桶倉門，并利用聲音系統(tǒng)提示用戶“該垃圾屬于XX垃圾，倉門已打開，請您投放到該垃圾桶中”。圖像的質(zhì)量檢測與調(diào)整因?yàn)槭芄饩€和人為因素等的影響，通常垃圾桶攝像頭所拍攝到的圖像質(zhì)量并不符合理想狀況，有時會出現(xiàn)模糊、暗淡等情況，不利于后續(xù)服務(wù)端的垃圾分類模型的判斷，因此我們有必要設(shè)置一項對圖像質(zhì)量的檢測調(diào)整功能。首先判斷圖像的質(zhì)量是否符合要求，對不符合要求的拍攝結(jié)果，可以采取調(diào)整攝像頭對焦，打開攝像頭自帶的燈光照明，利用這些功能來改善拍攝質(zhì)量。2、硬件端實(shí)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)方面，智能垃圾桶的實(shí)現(xiàn)效果圖如下圖5-2所示：a)垃圾桶和攝像頭b)聲音提示喇叭 c)ESP8266數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 d)SKG09D定位模塊圖5-2智能垃圾桶實(shí)現(xiàn)效果圖Fig.5-2EffectPictureofIntelligentTrashBin在功能的邏輯代碼方面，-基于以上兩項功能中的部分代碼實(shí)現(xiàn)，我們進(jìn)行以下介紹：硬件終端與服務(wù)器的通信過程（圖片傳輸）在這部分我們主要利用了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腡CP協(xié)議，TCP協(xié)議應(yīng)用于廣域網(wǎng)，能夠在不同的網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)跨越式的通信傳輸，同時能夠保證傳輸?shù)陌踩裕ＷC兩個端點(diǎn)在傳輸過程中信息準(zhǔn)確不丟失。其特點(diǎn)包括以下幾個：面向連接，以此構(gòu)建傳輸通道；傳輸可靠，TCP將數(shù)據(jù)分為多個長度適當(dāng)?shù)膱笪亩?，將?shù)據(jù)包進(jìn)行編號并按順序進(jìn)行傳送，在接收時會回復(fù)發(fā)送端一個確認(rèn)信息，若發(fā)送端沒有收到確認(rèn)通知，則說明接收端沒有收到該數(shù)據(jù)，在一定的時間內(nèi)會重新發(fā)送，以此實(shí)現(xiàn)信息傳遞的安全。綜上我們可以知道，使用該協(xié)議能夠符合我們的實(shí)現(xiàn)需要。在代碼實(shí)現(xiàn)手段方面，我們使用Java自身的套接字（Socket）編程進(jìn)行傳輸，首先在服務(wù)端設(shè)置套接字對象，之后將該對象綁定到IP地址上并指定端口號，啟動連接線程，等待硬件端連接。在硬件端，智能垃圾桶在攝像頭拍攝到垃圾圖像后，調(diào)用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，創(chuàng)建硬件端套接字對象，此對象將服務(wù)端的IP地址與端口進(jìn)行綁定，啟動連接線程，按照IP地址和端口號與服務(wù)端進(jìn)行連接。在連接成功之后，硬件端調(diào)用圖片傳輸對象來進(jìn)行圖片的傳輸，服務(wù)端調(diào)用垃圾分類結(jié)果反饋對象進(jìn)行分類結(jié)果的傳輸。傳輸完成之后，關(guān)閉連接。在這個過程中的主要代碼如圖5-3,5-4下：圖5-3硬件終端與服務(wù)器的通信過程中服務(wù)端用于接收圖片的Socket編程代碼Fig.5-3IntheProcessofCommunicationbetweentheHardwareTerminalandtheServer,theServerUsesSocketProgrammingCodetoReceivePictures圖5-4通信過程中硬件端用于接收分類結(jié)果的Socket編程代碼Fig.5-4IntheProcessofCommunication,theHardwareSideisUsedtoReceivetheSocketProgrammingCodeofClassificationResults圖像的質(zhì)量檢測實(shí)現(xiàn)檢測圖像質(zhì)量的部分我們使用了Java版本的OpenCV來進(jìn)行圖像的清晰度、亮度檢測。在檢測圖片亮度方面，判斷依據(jù)是圖像在灰度圖上的均值和方差，均值偏離均值點(diǎn)并且方差偏小，圖像判定為異常。在檢測圖片的清晰度方面，計算灰度圖標(biāo)準(zhǔn)差，其值越大代表圖像清晰度越好。下面列舉了部分圖像質(zhì)量檢測的核心代碼片段，如圖5-5,5-6所示：圖5-5使用OpenCV檢測圖片亮度代碼片段Fig.5-5UsingOpenCVtoDetectImageBrightnessCodeFragment圖5-6使用OpenCV檢測圖片清晰度代碼片段Fig.5-6UsingOpenCVtoDetectImageDefinitionCodeFragment1.3.2服務(wù)器端設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1、服務(wù)器端設(shè)計服務(wù)器端對接了硬件終端和個人客戶端，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收傳送，以及數(shù)據(jù)的計算處理，相當(dāng)于整個垃圾分類系統(tǒng)的大腦。服務(wù)端的用戶主要是系統(tǒng)的管理員，在服務(wù)端中設(shè)置了展示層的頁面，用于展示各類信息，有利于管理員做進(jìn)一步的維護(hù)，對所有類別的統(tǒng)計信息的掌握。在服務(wù)器端主要包含了以下功能：垃圾分類算法模型檢測功能該功能主要對硬件終端層和個人客戶端層傳遞過來的垃圾圖像，利用第三章提出的垃圾分類算法模型進(jìn)行垃圾種類的判斷。主要流程為：服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)接收到圖片，調(diào)用分類算法模型，開始進(jìn)行垃圾類型判斷，將判斷結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給該圖片的發(fā)送端，如果是個人客戶端，則還將結(jié)果統(tǒng)計到用戶的垃圾投遞數(shù)據(jù)庫表中，以此實(shí)現(xiàn)一次垃圾種類判斷的過程。垃圾桶位置的統(tǒng)計功能由于每個智能垃圾桶都含GPS定位功能，并且能夠?qū)⒆约旱奈恢冒疵?小時上傳一次的頻率，發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)端因此可以將這些位置信息做一個統(tǒng)計，得到所有智能垃圾桶的地理位置分布。各用戶投遞垃圾的種類和數(shù)量統(tǒng)計功能該功能主要為所有注冊的用戶每天投遞的垃圾做一個統(tǒng)計，依據(jù)的是用戶使用小程序的過程中拍攝過的垃圾的類別，以及當(dāng)天用戶拍攝垃圾的數(shù)量。系統(tǒng)通過獲取這些數(shù)據(jù)，來統(tǒng)計用戶自使用小程序以來每月投遞垃圾的種類和數(shù)量，以及所投遞垃圾總量等信息，并且在展示層頁面中進(jìn)行信息的展示，可以讓用戶對自己投放垃圾的習(xí)慣有一個認(rèn)識。垃圾分類新聞信息管理功能該功能主要是管理為個人客戶端提供的垃圾分類相關(guān)的新聞資訊，管理員可以實(shí)現(xiàn)信息的添加，修改和刪除，為個人用戶每天更新最新最廣泛的垃圾分類新聞。其他功能（如模型更新等）在服務(wù)端還包含了一些其他功能，比如垃圾分類模型的更新功能，系統(tǒng)可以及時的進(jìn)行模型的更新，有利于垃圾分類算法版本的更替，方便模型的維護(hù)。2、服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)在服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)方面，服務(wù)器系統(tǒng)為Unbantu16.0464位，處理器為IntelXeon（R）Gold61322.6GHz×28，內(nèi)存大小為64G，顯示卡為NVIDIAGeForceRTX2080Ti，GUDA7.3。算法模型運(yùn)行環(huán)境方面，運(yùn)行框架使用的是TensorFlow，用Python3.6語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主要包含的模塊有：Keras2.2.4，Tensorflow1.13，Pillow，Numpy，OpenCV，等等。另外TensorFlow的部署環(huán)境方面，使用谷歌公司開發(fā)的Tensorflow-Serving部署方案，在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，Tensorflow-Serving可以智能化的將開發(fā)者項目中的算法模型加載，分析其中的計算圖來自動實(shí)現(xiàn)內(nèi)部運(yùn)行邏輯，非常的方便。其還支持模型版本的自動更迭與切換，不影響正在運(yùn)行的工作。另外還能夠?qū)崿F(xiàn)整體部署環(huán)境的高可用，防止單點(diǎn)故障的發(fā)生，自動分析硬件本身的資源使用情況，對于模型的輸入規(guī)模能夠進(jìn)行一個很好的控制，防止宕機(jī)，并且能夠節(jié)省硬件資源。在服務(wù)端展示層頁面的環(huán)境配置中使用MySQL8.0.20作為數(shù)據(jù)庫，Tomcat8.0作為項目的部署服務(wù)器。另外使用Javaweb的SSH開發(fā)框架進(jìn)行項目開發(fā)，其主要包括Struts2，Spring，Hibernate。其中，Struts2主要用于J2EE平臺，是一種開發(fā)常見的MVC框架，主要采用JSP+Servlet+Javabean的模式，實(shí)現(xiàn)前端界面編輯和后端業(yè)務(wù)邏輯代碼；Hibernate實(shí)現(xiàn)持久化，在數(shù)據(jù)庫增刪改查的實(shí)現(xiàn)中更加簡便，不用單去為這些操作寫一個類；Spring用來克制類的依賴?？傮w來說，Struts2主要負(fù)責(zé)顯示層，Spring管理業(yè)務(wù)層，Hibernate控制持久層。下面是服務(wù)端的頁面展示：垃圾桶位置分布，如圖5-7所示。圖5-7垃圾桶位置分布頁面效果展示Fig.5-7EffectDisplayofGarbageCanLocationDistributionPage各用戶投遞垃圾的種類和數(shù)量統(tǒng)計功能，如圖5-8所示。圖5-8各用戶投遞各類垃圾和數(shù)量統(tǒng)計功能頁面效果展示Fig.5-8DisplaytheEffectofVariousKindsofGarbageandQuantityStatisticsFunctionPagesDeliveredbyUsers垃圾分類新聞信息管理功能，如圖5-9所示。圖5-9垃圾分類新聞信息管理頁面效果展示Fig.5-9EffectDisplayofGarbageClassificationNewsInformationManagementPage1.3.3客戶端設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1、個人客戶端設(shè)計個人客戶端設(shè)計了一款微信小程序，主要是為了讓人們識別垃圾更加靈活，方便人們進(jìn)行垃圾的識別和投放，以及有利于人們對垃圾分類知識的學(xué)習(xí)。該客戶端主要包含了以下幾個設(shè)計：垃圾種類判斷該功能與服務(wù)端對接，為用戶提供完整的垃圾分類的功能，輔助用戶知道所拍攝的垃圾屬于哪一種類型。該功能的主要識別流程是：用戶通過小程序進(jìn)入“垃圾類別拍照檢測”板塊，小程序調(diào)用系統(tǒng)攝像頭對要進(jìn)行識別的垃圾進(jìn)行拍攝，將拍攝到的圖像傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器端判斷垃圾所屬的種類返回結(jié)果，小程序接收到結(jié)果，根據(jù)其類型來顯示垃圾種類，并語音提示“該垃圾屬于XX垃圾，請您放入到指定類別的垃圾桶”。垃圾分類新聞?wù)故驹摴δ苣康氖菫榱俗層脩籼岣邔τ诶诸惙矫嬷R的了解，以及現(xiàn)在垃圾分類政策實(shí)施的最新情況的獲取，讓用戶提高垃圾分類的意識，積極配合部門關(guān)于垃圾分類的相關(guān)政策。該功能主要是設(shè)置了“垃圾分類新聞資訊”板塊，采用瀑布流的形式為用戶展現(xiàn)，所包含的內(nèi)容有垃圾所屬種類的知識，以及相關(guān)部門發(fā)布的一些政策等等。用戶點(diǎn)擊此板塊即可進(jìn)入并且進(jìn)行瀏覽。周邊垃圾桶的位置展示該功能主要是為了方便用戶對周圍垃圾桶位置的查找，基于智能垃圾桶的GPS定位和服務(wù)端對垃圾桶位置的信息收集，用戶可以通過該功能從服務(wù)端獲得最新的垃圾桶分布信息，并且可以查找到自身附近的垃圾桶分布，用戶能夠方便的及時確定垃圾桶的位置，并且進(jìn)行垃圾投放。個人中心和各類別垃圾的統(tǒng)計該功能能夠提供用戶的個人信息，包括昵稱、姓名、手機(jī)號、地址等，除此之外設(shè)置了一項對用戶平時所投遞垃圾的統(tǒng)計，該數(shù)據(jù)來自服務(wù)器端，由服務(wù)器對各個用戶所投垃圾的種類以及數(shù)量作出統(tǒng)計。當(dāng)用戶點(diǎn)擊該模塊時，小程序向服務(wù)器端發(fā)出調(diào)用該用戶相關(guān)統(tǒng)計信息的請求，服務(wù)器收到請求后將該數(shù)