Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo hệ thống phân loại rác thải nhựa tại nguồn

Khám phá đồ án tốt nghiệp cơ điện tử về thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại rác thải nhựa tại nguồn. Ứng dụng AI nhận diện và phân loại tự động.

• Tác giả: Lê Hoàng Đức
• Người hướng dẫn: ThS. Lương Thanh Nhật
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Hệ Thống Phân Loại Rác Thải Nhựa Tại Nguồn
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phân loại rác thải nhựa tự động

Hệ thống phân loại rác thải nhựa tự động tại nguồn là một giải pháp hiện đại giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường tại Việt Nam. Đồ án này được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, tập trung vào thiết kế và chế tạo thùng rác tự động có khả năng nhận diện và phân loại các loại nhựa tái chế. Hệ thống được ứng dụng mô hình học sâu (Deep Learning) để nhận diện chính xác loại rác, sau đó tự động đưa chúng đến ngăn chứa thích hợp. Thùng rác được thiết kế dành cho không gian trong nhà như trường học, văn phòng và các cơ sở công cộng. Công nghệ này kết hợp cơ khí, điện tử và trí tuệ nhân tạo, tạo nên một giải pháp toàn diện cho quản lý rác thải nhựa hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao ý thức tái chế của cộng đồng.

1.1. Nhu cầu phân loại rác thải nhựa tại Việt Nam

Rác thải nhựa là vấn đề cấp bách tại Việt Nam, với lượng nhựa tái chế được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò nung xi măng và bãi chôn lấp ngày càng tăng. Việc phân loại rác thải nhựa tại nguồn giúp tăng hiệu suất tái chế, giảm áp lực lên môi trường. Các loại nhựa như PET, HDPE cần được tách riêng để có thể xử lý hiệu quả, tránh gây hại đến hệ thống xử lý rác.

1.2. Công nghệ nhận diện được áp dụng

Mô hình học sâu (Deep Learning) sử dụng Convolutional Neural Network (CNN) để nhận diện các loại nhựa một cách chính xác. Hệ thống kết hợp camera công nghiệp để chụp ảnh rác, xử lý dữ liệu và đưa ra quyết định phân loại tự động, đạt độ chính xác cao trong việc phân biệt các loại nhựa khác nhau.

II. Thiết kế cơ khí và hệ thống con

Thiết kế cơ khí hệ thống phân loại rác thải nhựa bao gồm khung thùng rác chính và các cơ cấu phân loại rác tích hợp. Thùng rác được thiết kế với kết cấu đa ngăn để chứa các loại nhựa khác nhau, sử dụng vật liệu bền và dễ vệ sinh. Hệ thống sử dụng thanh trượt nhôm Vslot để đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác. Cơ cấu mở cửa tự động được điều khiển bởi động cơ DC, cho phép rác được đưa vào ngăn chứa phù hợp. Cảm biến tiệm cận và cảm biến siêu âm được tích hợp để phát hiện vị trí rác. Toàn bộ hệ thống được quản lý bởi Raspberry Pi 4, điều phối các thành phần điện tử và thực hiện các lệnh phân loại tự động, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

2.1. Cấu trúc khung thùng rác và ngăn chứa

Khung thùng rác được thiết kế dưới dạng 3D với kích thước tối ưu cho không gian trong nhà. Hệ thống 7 ngăn hoặc 2 ngăn tùy theo nhu cầu sử dụng. Mỗi ngăn được thiết kế riêng biệt để chứa các loại nhựa khác nhau, với cơ cấu phân loại rác thứ nhất và thứ hai đảm bảo rác được đưa chính xác vào đúng vị trí.

2.2. Hệ thống truyền động và cảm biến

Hệ thống truyền động sử dụng động cơ DC GA25 370 với hai công suất: 130 vòng/phút và 280 vòng/phút, cung cấp lực cần thiết cho cơ cấu mở cửa bỏ rác. Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK phát hiện vật cản, cảm biến tiệm cận kim loại SN04-N xác định vị trí chính xác, cảm biến siêu âm US-015 đo khoảng cách, tạo nên hệ thống cảm nhận toàn diện.

III. Hệ thống điều khiển và xử lý dữ liệu

Hệ thống điều khiển hệ thống phân loại rác được trang bị Raspberry Pi 4 làm bộ vi xử lý chính, quản lý toàn bộ hoạt động của thiết bị. Camera Logitech C270 HD cung cấp hình ảnh rác với chất lượng cao, được truyền tới mô hình học sâu để nhận diện. Màn hình LCD cảm ứng Waveshare hiển thị thông tin trạng thái và giao diện người dùng. Mạch hạ áp LM2596 giảm điện áp từ nguồn tổ ong 12V xuống các mức cần thiết cho các thiết bị khác nhau. Tủ điện kích thước 30×30×15 cm chứa RCBO Schneider EZ9D34616 để bảo vệ toàn hệ thống. Đèn LED dây 5050 cung cấp chiếu sáng cho vùng phân loại. Module relay 1 kênh 5V điều khiển quạt tản nhiệt 12V để giữ nhiệt độ ổn định, đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài.

3.1. Sơ đồ khối hệ thống điện

Sơ đồ khối hệ thống điện thể hiện mối liên kết giữa các thành phần: nguồn cấp, Raspberry Pi 4, Atmega2560, Driver XY 160D, các động cơ DC, cảm biến, màn hình và module relay. Mỗi liên kết được thiết kế để đảm bảo truyền tín hiệu chính xác và cấp điện ổn định cho toàn hệ thống hoạt động hiệu quả.

3.2. Quản lý nguồn điện và bảo vệ hệ thống

Nguồn tổ ong 12V cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống, được RCBO Schneider EZ9D34616 bảo vệ khỏi quá tải. Mạch hạ áp LM2596 chuyển đổi điện áp cho các thiết bị hoạt động ở mức 5V. Quạt tản nhiệt 12V được điều khiển bởi module relay để ngăn chặn quá nhiệt, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

IV. Mô hình nhận diện và phân loại rác thải nhựa

Mô hình nhận diện rác thải nhựa dựa trên công nghệ Deep Learning sử dụng Convolutional Neural Network (CNN) để phân tích hình ảnh rác từ camera công nghiệp. Dữ liệu hình ảnh về chai nhựa được chuẩn bị ở dạng chuẩn để đảm bảo độ chính xác cao nhất. Hệ thống áp dụng Transfer Learning - kỹ thuật sử dụng mô hình đã được huấn luyện trên các tập dữ liệu lớn, giảm thời gian huấn luyện và cải thiện hiệu suất. Cấu trúc CNN bao gồm nhiều lớp convolution để trích xuất đặc trưng từ hình ảnh, sau đó các fully connected layers thực hiện phân loại cuối cùng. Kiến trúc base network được kết hợp với các lớp kết nối đầy đủ để nhận diện các loại nhựa như PET, HDPE, PVC với độ tin cậy cao, đạt hiệu suất tối ưu sau quá trình huấn luyện.

4.1. Cấu trúc mạng neural và quá trình học

Deep Neural Network được xây dựng với nhiều lớp ẩn để học các đặc trưng phức tạp của các loại nhựa. Machine Learning và Deep Learning được so sánh để lựa chọn phương pháp tối ưu nhất. Quá trình huấn luyện sử dụng bộ dữ liệu lớn về hình ảnh rác nhựa, điều chỉnh trọng số để tối thiểu hóa sai số nhận diện.

4.2. Ứng dụng Transfer Learning và tối ưu hóa

Transfer Learning cho phép sử dụng lại các mô hình đã huấn luyện, giảm nhu cầu dữ liệu huấn luyện. So sánh hiệu suất mô hình trước và sau khi áp dụng kỹ thuật này cho thấy cải thiện đáng kể. Chiến lược áp dụng Transfer Learning tối ưu hóa độ chính xác, tăng khả năng nhận diện các loại nhựa khác nhau một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan 1. Tổng quan về rác thải nhựa tại Việt Nam 1. Thực trạng rác thải nhựa tại Việt Nam Ô nhiễm rác thải nhựa là một vấn đề nghiêm trọng ở Việt Nam, gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Theo số liệu thống kê từ Bộ Tài nguyên và Môi trường thì mỗi năm, Việt Nam thải ra khoản 1,8 triệu tấn rác thải nhựa [1], một con số không ngừng gia tăng do sự phát triển kinh tế và tăng trưởng dân số.

Việt Nam nằm trong nhóm các quốc gia có mức độ ô nhiễm nhựa đại dương cao nhất thế giới, đứng thứ 4 về lượng rác thải nhựa xả ra biển.000 tấn rác nhựa từ Việt Nam trôi ra đại dương [2], gây hại nghiêm trọng đến các hệ sinh thái biển và đa dạng sinh học. Những mảnh nhựa nhỏ, hay microplastics, cũng đang xâm nhập vào chuỗi thức ăn, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Một trong những nguyên nhân chính của vấn đề này là hệ thống quản lý rác thải còn thiếu hiệu quả. Tại nhiều địa phương, rác thải nhựa không được thu gom và xử lý đúng cách, dẫn đến việc rác bị vứt bừa bãi hoặc đốt bỏ, gây ra ô nhiễm không khí và nguồn nước.

Mặc dù chính phủ đã bắt đầu thực hiện các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm nhựa, như Nghị quyết số 36/NQ-TW [3] về tăng cường quản lý chất thải nhựa, nhưng việc triển khai vẫn gặp nhiều khó khăn. Quy trình thu gom và xử lý rác thải nhựa tại Việt Nam Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn trong việc quản lý rác thải nhựa, đặc biệt là tại các thành phố lớn và các khu du lịch. Quy trình thu gom và xử lý rác thải nhựa tại Việt Nam bao gồm các bước sau: Quy trình thu gom: • Phân loại tại nguồn: Rác thải nhựa được phân loại tại hộ gia đình, cơ sở kinh doanh và các cơ quan công sở. Các loại nhựa như chai nhựa, bao bì nhựa, túi nylon thường được thu gom riêng biệt.

• Hệ thống thu gom: Rác thải nhựa được thu gom thông qua các hệ thống như xe rác, thùng rác công cộng, và các điểm thu gom rác thải tái chế. 1 • Vận chuyển: Rác thải nhựa sau khi được thu gom tại nguồn sẽ được vận chuyển bằng xe chuyên dụng tới các điểm tập kết hoặc nhà máy xử lý. Tại đây, rác thải nhựa có thể được phân loại lại để đảm bảo chất lượng cho quá trình tái chế. Các phương pháp xử lý rác thải nhựa: • Tái chế: Rác thải nhựa được phân loại chi tiết và làm sạch để loại bỏ các tạp chất.

Quá trình này có thể bao gồm rửa, cắt nhỏ và loại bỏ các phần không phải nhựa. Nhựa sau khi được làm sạch sẽ được nấu chảy và đúc thành các sản phẩm nhựa tái chế như hạt nhựa, các sản phẩm gia dụng hoặc vật liệu xây dựng.1 Hạt nhựa [4] • Đốt cháy: Một phần rác thải nhựa có thể được xử lý bằng cách đốt cháy trong các lò đốt rác. Quá trình này giúp giảm thể tích rác thải và có thể tạo ra năng lượng nhiệt phục vụ cho các mục đích khác.2 Rác thải nhựa làm nhiên liệu đốt cho lò nung xi măng [5] 2 • Chôn lấp: Rác thải nhựa không thể tái chế hoặc xử lý nhiệt sẽ được đưa đến các bãi chôn lấp hợp vệ sinh. Việc này yêu cầu các biện pháp kỹ thuật để tránh ô nhiễm môi trường.3 Bãi chôn lấp rác thải nhựa [6] Hiện nay, chỉ có khoảng 9% rác thải nhựa trên toàn cầu được tái chế.

Phần lớn rác thải nhựa, khoảng 79%, bị chôn lấp hoặc thải ra môi trường tự nhiên, trong khi khoảng 12% được đốt cháy [7]. Những con số này cho thấy việc quản lý và tái chế rác thải nhựa vẫn còn nhiều hạn chế và cần có sự cải thiện đáng kể để giảm thiểu tác động xấu đến môi trường. Kiến thức của người dân về phân loại rác thải nhựa Nhiều người không phân biệt được các loại nhựa khác nhau, ví dụ như nhựa PET, HDPE, PVC, v. Nhiều nơi chưa có hướng dẫn cụ thể và rõ ràng về cách phân loại rác thải nhựa.

Các quy định pháp luật về phân loại rác thải cũng chưa được thực thi nghiêm ngặt và đồng đều trên toàn quốc. Thực hành phân loại rác thải nhựa tại nguồn còn nhiều hạn chế. Người dân thường không có thói quen hoặc không có đủ điều kiện để phân loại rác đúng cách. Hệ thống thu gom và xử lý rác thải chưa phát triển đồng bộ và chưa tạo điều kiện thuận lợi để người dân phân loại rác thải nhựa.

Thùng rác công cộng thường không được phân loại rõ ràng và hệ thống thu gom tái chế chưa hiệu quả. Các phương pháp phân loại nhựa hiện nay a. Dựa vào đặc điểm ngoại hình của nhựa 3 Đây là quá trình sử dụng các thuật toán máy học và xử lý hình ảnh để tự động phân loại các loại nhựa dựa trên các đặc điểm như hình dạng và màu sắc của chúng trong hình ảnh thu được. Ưu điểm: • Phân loại được nhiều loại rác Nhược điểm: • Chỉ phân loại được loại rác mà mô hình đã được học • Yêu cầu bộ dữ liệu dùng để huấn luyện mô hình AI lớn làm tăng thời gian thu thập dữ liệu.

• Huấn luyện mô hình với bộ dự liệu lớn sẽ làm tăng thời gian huấn luyện làm giảm hiệu quả và hiệu suất của quá trình phát triển và thử nghiệm mô hình đồng thời mô hình có thể bị overfitting. Dựa vào kí hiệu trên nhựa Hiệp hội ngành nhựa Hoa Kỳ đã giới thiệu hệ thống Mã nhận dạng nhựa (RIC) vào năm 1988, khi tổ chức này được gọi là Hiệp hội Công nghiệp Nhựa, Inc. SPI tuyên bố rằng mục đích của mã nhựa nhựa là cung cấp một hệ thống nhất quán nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái chế chất thải nhựa sau tiêu dùng. Mã nhựa là chỉ báo về loại nhựa mà sản phẩm được tạo ra.

Có tổng cộng bảy mã nhận dạng nhựa cho nhựa, như trong hình dưới: Hình 1.4 Kí tự của các loại nhựa [8] 4 + Ưu điểm: • Phân loại dễ dàng do chỉ cần nhận dạng mã số nhựa vì bản chất đây chỉ là đọc số trong biểu tượng hình tam giác. • Yêu cầu về bộ dữ liệu dùng để huấn luyện mô hình không quá lớn. + Nhược điểm: • Chỉ phân biệt được 7 loại nhựa PET, HDPE, PVC, LDPE, PP, PS, other. • Với các loại nhựa không đánh số thì không phân biệt được.

• Không nhận diện được số với những loại nhựa bị biến dạng quá mức hoặc các loại nhựa đã mất số. • Tốc độ phân loại thấp vì phải chụp đúng vị trí có số hiệu nhựa trên mẫu rác. Sử dụng phương pháp quang phổ Phương pháp này hoạt động bằng cách chiếu tia bức xạ hồng ngoại có bước sóng phù hợp vào các loại rác thải nhựa khác nhau. Các loại polime khác nhau sẽ phản hồi lại một bước sóng khác nhau từ đó ta có thể xác định được thành phần của chất thải nhựa.5 Quá trình phân loại nhưa bằng quang phổ [9] Cường độ phản xạ bức xạ điện từ của mỗi vật sẽ tùy thuộc vào bản chất vật lí và hóa học của vật đó, ví dụ: 5 Hình 1.6 Giá trị cường độ bức xạ của từng loại nhựa [10] Kỹ thuật này dựa vào việc huấn luyện quy tắc phân loại, sử dụng một tập hợp lớn các mẫu hiệu chuẩn để xác định các dấu hiệu phản ánh đặc trưng của vật liệu nhựa.

Ban đầu nhựa được đưa qua một thiết bị phát ra bức xạ điện từ. Sự phản xạ lại bức xạ điện từ sau đó sẽ được camera thu lại, sau đó đối chiếu với dải bức xạ điện từ đã được lưu từ trước trong thư viện để tiến hành dự đoán loại vật liệu nhựa. + Ưu điểm: • Có thể xác định chính xác loại nhựa dựa trên thành phần hóa học của nhưa • Phù hợp với các quy trình xử lý rác thải tốc độ cao tại các nhà máy tái chế + Nhược điểm: • Chi phí đầu tư ban đầu cao • Một số loại nhựa có tính chất quang học tương tự nhau hoặc chứa các phụ gia có thể gây khó khăn trong việc phân biệt bằng quang phổ hồng ngoại. • Yêu cầu bảo trì và hiệu chuẩn thường xuyên để đảm bảo độ chính xác • Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi mức độ nhiễm bẩn hoặc tạp chất trong nhựa 1.

Giới thiệu về các loại nhựa 1. Nhựa PET (Ký hiệu số 1) Nhựa PET (viết tắt của polyethylene terephthalate) thường dùng để đựng các thực phẩm dạng lỏng như: các loại chai nước ngọt, chai nước khoáng, nước ngọt, bia, các loại chai nước chấm, các loại chai đựng nước trái cây… 6 Hình 1. Vòng đời sản phẩm chai nhựa PET theo công nghệ tái chế bottle to bottle. Các sản phẩm thường được làm từ PET tái chế bao gồm chai và lọ PET mới, thảm, quần áo, dây đai công nghiệp, dây thừng, phụ tùng ô tô, chất làm đầy cho áo khoác và vật liệu xây dựng và bao bì bảo vệ.

Nhựa HDPE (Ký hiệu số 2) HDPE (high density polyethylene, tức là nhựa nhiệt dẻo mật độ cao) là loại nhựa dùng để chế tạo các bình nhựa cứng như bình đựng sữa, bình đựng chất tẩy rửa, dầu ăn, đồ chơi và một số túi nhựa.8 Nhựa HDPE [12] Khả năng tái chế: HDPE gần như không phân hủy và tạo ra các chất nguy hiểm đối với môi trường tự nhiên, Chúng có thể được tái chế hoàn toàn và sử dụng như nhựa nguyên sinh. Nhựa PVC (Ký hiệu số 3) Đặc điểm nổi bật của nhựa PVC - Polyvinyl Clorua là tính dẻo, khả năng chịu lạnh/chịu nhiệt/chống nước tốt và cách điện. Vì thế, dễ dàng tìm thấy nhựa số 3 trong các vật liệu xây dựng quen thuộc như ống nhựa, vỏ dây cáp, sàn vinyl, túi xách tĩnh mạch, túi đựng máu, đồ chơi trẻ em… Hình 1.9 Nhựa PVC [13] Khả năng tái chế: PVC gần như không thể tái chế được. Do đó, cần hạn chế sử dụng PVC ở mức ít nhất có thể.

Vì thế, loại nhựa này thường được ứng dụng phổ biến trong sản xuất túi nhựa, màng bọc thực phẩm, vỏ bánh snack, bao bì đựng thực phẩm… Mặc dù vậy, chất liệu này khá dễ cháy, dễ nứt vỡ và khả năng chống tia cực tím kém.10 Nhựa LDPE [14] Khả năng tái chế: LDPE có thể tái chế nhưng không phải hoàn toàn, các chai nhựa cứng có thể tái chế thành các vật dụng khác, trái lại các túi bóng (bịch bóng), màng bọc thực phẩm thường không được thu gom và tái chế. Do đó hãy tái sử dụng LDPE tối thiểu một vài lần trước khi vứt bỏ.