中学生科技创新大赛项目计划

中学生科技创新大赛项目计划一、项目背景与研究意义随着“双碳”目标推进与垃圾分类政策深化，校园作为人员密集场所，垃圾产生量大且分类效率低的问题日益凸显。传统人工分拣依赖学生环保意识与分类知识，易出现混投、误投现象，导致可回收资源浪费与有害垃圾处置风险。本项目以物联网技术为核心，结合传感器与智能算法，设计一套适用于中学场景的垃圾分类系统，旨在提升校园垃圾分类精准度、降低管理成本，同时培养中学生的环保意识与工程实践能力。二、研究目标1.开发一套集成“智能识别+自动分拣+数据可视化”的校园垃圾分类系统，实现常见垃圾（可回收物、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾）的自动分类与溯源管理；2.验证系统在中学场景的实用性，通过为期3个月的试点运行，将垃圾分类准确率提升至90%以上，减少人工分拣工作量60%；3.形成可推广的“学生自主研发+校园应用”模式，为中小学垃圾分类智能化改造提供技术参考。三、研究内容与技术路线（一）系统架构设计采用“感知层-传输层-应用层”三层架构：传输层：通过WiFi/蓝牙将数据传输至校园服务器，利用MQTT协议实现设备与云端的实时通信；应用层：开发Web端管理平台（展示分类数据、投放趋势）与移动端APP（学生查询积分、参与环保活动）。（二）核心技术研发1.垃圾识别算法优化：采集校园常见垃圾图像（如塑料瓶、废纸、电池、果皮等），构建轻量化图像数据集（约5000张标注样本），基于YOLOv5s模型进行迁移学习，优化模型结构以适配单片机算力（如采用树莓派4B作为边缘计算节点），确保识别速度＞10帧/秒、准确率＞90%。2.机械分拣装置设计：设计“旋转式分拣仓+伺服电机驱动”的机械结构，根据识别结果控制分拣仓旋转角度（如0°对应可回收物、90°对应有害垃圾），实现垃圾自动归仓。通过SolidWorks建模、3D打印制作原型，测试分拣速度与稳定性。3.数据管理系统开发：采用PythonFlask框架搭建后端，MySQL存储垃圾分类数据（投放时间、类型、重量、投放人），前端通过ECharts实现数据可视化（如班级投放量排名、垃圾类型占比趋势），并开发“环保积分”功能（学生扫码投放可获得积分，兑换学习用品）。四、创新点1.场景适配性创新：针对中学垃圾“种类少、投放规律强”的特点，简化算法模型与机械结构，降低系统成本（总预算＜2000元），适合校园推广；2.教育价值融合：将“垃圾分类数据”与“学生环保实践”结合，通过积分系统、班级排名激发学生参与度，实现“技术工具+德育教育”的双重目标；3.开源化设计：系统代码（含图像识别模型、机械设计图纸）开源至GitHub，方便其他学校二次开发，推动校园科技创新生态建设。五、实施步骤（时间规划：6个月）（一）筹备阶段（第1个月）组建团队（5人：项目组长、算法开发、机械设计、软件编程、数据管理）；调研校园垃圾现状（访谈后勤老师、统计每日垃圾量与类型）；采购核心器材（树莓派4B、摄像头、传感器、3D打印机耗材等）。（二）研发阶段（第2-4个月）第2个月：完成图像数据集采集与标注，训练YOLOv5s模型；第3个月：设计并制作机械分拣装置原型，测试传感器与电机联动；第4个月：开发Web端管理平台与移动端APP，实现数据上传与可视化。（三）试点阶段（第5个月）在学校食堂、教学楼投放2台原型机，开展为期1个月的试运行；每日记录分类准确率、设备故障率、学生参与度，收集反馈优化系统。（四）总结阶段（第6个月）整理实验数据，撰写研究报告（含系统设计文档、算法优化日志、试点分析）；制作演示视频与实物模型，准备竞赛答辩材料。六、预期成果1.实物成果：1套可运行的校园智能垃圾分类系统原型（含硬件装置、软件平台）；2.学术成果：1篇研究报告（阐述系统设计、实验数据与优化方案），申请实用新型专利1项；3.竞赛成果：在科技创新大赛中展示系统，争取获得省级及以上奖项；4.社会效益：形成《校园垃圾分类智能化改造指南》，供其他学校参考，推动环保技术在基础教育场景的应用。七、团队分工项目组长：统筹进度、协调资源、对接学校后勤部门；算法开发：负责图像识别模型训练、优化与部署；机械设计：设计分拣装置结构，完成3D建模与打印；软件编程：开发Web端与移动端程序，实现数据交互；数据管理：采集实验数据、制作可视化报表、撰写研究报告。八、经费预算（分项说明）支出项预算金额说明--------------------------------------------------------硬件器材约1200元树莓派、传感器、电机等3D打印耗材约300元分拣装置原型制作软件授权0元（开源工具）Python、MySQL、YOLOv5等其他杂费约300元备用零件、测试耗材**总计****约2000元**—九、风险与应对1.技术风险：图像识别准确率不足→扩充数据集（增加雨天、逆光场景样本），优化模型轻量化处理；2.实施风险：设备故障率高→预留20%预算采购备用零件，建立“故障快速响应”机制（24小时内修复）；3.推广风险：学生参与度低→联合学校德育处，将环保积分纳入“优秀班级评选”加分项。