垃圾分類應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)案例 1 1 2 3 9 1.1系統(tǒng)總體設(shè)計輯實現(xiàn)上的開發(fā)。系統(tǒng)的總體設(shè)計如下圖5-1所示：垃圾收納與倉門開關(guān)垃圾收納與倉門開關(guān)聲音提示功能定位與位置上傳分類結(jié)果接收與決策圖像上傳功能圖像質(zhì)量檢測功能垃圾圖像拍照算法模型更新等用戶垃圾投放統(tǒng)計垃圾楊位置統(tǒng)計垃圾分類模型檢測雙端圖像接收功能單用戶垃圾投放統(tǒng)計周邊垃圾桶位置展示垃圾種類判斷與提示垃圾圖像拍照與上傳硬件終端一智能垃圾桶Fig.5-1SystemOverallDesignDrawi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，它圾桶位置查詢，垃圾分類相關(guān)新聞知識的展示，每月各的數(shù)量統(tǒng)計功能和其他功能(如模型更新等)。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1、開源，可以允許廣大開發(fā)者借鑒其代碼來做擴展，有利于集思廣益，完結(jié)合上述優(yōu)點，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(1)個人用戶信息表下表5-1所示：Tab.5-1PersonalUserInformatio數(shù)據(jù)類型昵稱姓名(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，垃圾桶位置詳細信息等，該表的字段設(shè)計如下表5-2所示：Tab.5-2TrashBinLocationInform數(shù)據(jù)類型是否否桶位置詳細信息否桶放置時間否(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：數(shù)據(jù)類型是否否垃圾的所屬類別(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：Tab.5-4GarbageClassificationNewsI數(shù)據(jù)類型是否否否否發(fā)布時間否1.3.1硬件端設(shè)計與實現(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：(1)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；(2)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)包并進行解析。(3)門倉開關(guān)：用于實現(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；(4)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)的正常運作；(5)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行的每一個步驟名稱，如“請將垃圾放入藍色方框于XX垃圾，倉門已打開，請您投放到該垃圾桶中”;(6)攝像頭：用于對垃圾進行拍照，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；(7)放置臺：標有藍色框線區(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)；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行流程主要包括以下幾點：(1)垃圾分類與提示功能該功能主要進行垃圾圖像的采集，與服務(wù)器進行數(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色區(qū)域內(nèi)的垃圾進行拍照，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”。(2)圖像的質(zhì)量檢測與調(diào)整因為受光線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、硬件端實現(xiàn)在實現(xiàn)方面，智能垃圾桶的實現(xiàn)效果圖如下圖5-2所示：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現(xiàn)，我們進行以下介紹：(1)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)之間實現(xiàn)跨越式的通信傳輸，同時能夠保證傳輸?shù)陌踩?，保證兩個端點在傳輸過程中信息準確不丟失。其特點包括以下幾個：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)包進行編號并按順序進行傳送，在接收時會回復(fù)發(fā)送端一個確認信息，若發(fā)送端沒有收到確認通知，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現(xiàn)在代碼實現(xiàn)手段方面，我們使用Java自身的套接字(Socket)編程進行傳輸，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地址與端口進行綁定，啟動連接線程，按照IP地址和端口號與服務(wù)端進行連接。在連接成功之后，硬件端調(diào)用圖片傳輸對象來進行圖片的傳輸，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：System.out.println(conn.get}//TODO:handleexception*服務(wù)端寒ss.bind(newInetsocketAddr),port:9090));"newThread(newconnect(ss)).sta"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,theHardwareSideisUsedtoReceivProgrammingCodeofClassificationResults(2)圖像的質(zhì)量檢測實現(xiàn)檢測圖像質(zhì)量的部分我們使用了Java版本的OpenCV來進行圖像的清晰度、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，計算灰度圖標準差，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：publicstaticIntegerbrightnessException(FilejpegFile){MatsrcImage=Imgcodecs.imread(jpegFile.getAbsolutePath());}{for(intj=0;j<dstImage.cols{}}floatda=a/(float)(dstIfloatD=Math.abs(da);{Ma+=Math.abs(i-128-da)*Hist[i];}Ma/=(float)((dstIm}圖5-5使用OpenCV檢測圖片亮度代碼片段Fig.5-5UsingOpenCVtoDetectImageBrightnessCodeFragmentpublicstaticvoidclarityException(FilejpegFile){opencv_core.MatsrcImage=opencv_imgcodecs.imreadopencv_imgproc.Laplacian(dstImage,laplacianDstImage,opencv_coopencv_imgcodecs.imurite(path+"Iaplaciopencv_core.Matstddev=n圖5-6使用OpenCV檢測圖片清晰度代碼片段1.3.2服務(wù)器端設(shè)計與實現(xiàn)一步的維護，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：(1)垃圾分類算法模型檢測功能據(jù)庫表中，以此實現(xiàn)一次垃圾種類判斷的過程。(2)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。(3)各用戶投遞垃圾的種類和數(shù)量統(tǒng)計功能(4)垃圾分類新聞信息管理功能(5)其他功能(如模型更新等) (R)Gold61322.6GHz×28,內(nèi)存大小為6進行實現(xiàn)，主要包含的模塊有：Keras2.2.4,TensorflowOpenCV,等等。另外TensorFlow的部署環(huán)境方面，使用谷歌公司開發(fā)的在實際的生產(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，現(xiàn)前端界面編輯和后端業(yè)務(wù)邏輯代碼；Hibernate實現(xiàn)持久化，在數(shù)據(jù)庫增刪改下面是服務(wù)端的頁面展示：(1)垃圾桶位置分布，如圖5-7所示。(2)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。圖圖□男□□(3)垃圾分類新聞信息管理功能，如圖5-9所示。Q1.3.3客戶端設(shè)計與實現(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：(1)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)攝像頭對要進行識別的垃圾進行拍攝，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，(2)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。用戶點擊此板塊即可進入并且進行瀏覽。(3)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，并且進行垃圾投放。(4)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)據(jù)傳送到小程序，小程序接收數(shù)據(jù)并進行展示。2、個人客戶端實現(xiàn)在垃圾分類小程序的實現(xiàn)方面，我們使用小程序開發(fā)工具來進行開發(fā)，開發(fā)所用的操作系統(tǒng)版本為Windows1064位版本，內(nèi)存大小為8G,處理器為IntelCorei7-6700K4.0GHz。在頁面方面使用的主要是JavaScript+WXSS(小程序的樣式表)