太陽能供電的智能垃圾分類處理系統(tǒng)設(shè)計

馬晗旭，劉忠富，劉子洋，趙宏宇

（大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，大連116600）

隨著城市化的發(fā)展， 科技技術(shù)的不斷革新，居民的生活垃圾不再是毫無用處的廢棄物，它擁有巨大的開發(fā)價值。 但是，目前在我國城市街道上的分類垃圾桶大部分只是貼有標簽的普通垃圾桶，需要人為去識別垃圾種類。 再加上很多人不知道垃圾分類的知識，無法進行正確投放，這使垃圾分類沒有達到預(yù)期的效果。 因此垃圾分類的智能化已然成為必然的趨勢。

近些年來，國內(nèi)外的科研技術(shù)人員對垃圾分類進行了較多的研究。 文獻[1]對垃圾回收分類進行了研究，該系統(tǒng)主要通過金屬傳感器，紅外對管傳感器等進行垃圾識別分類，可以基本實現(xiàn)一些簡單的垃圾分類。 文獻[2]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對垃圾分類進行了研究。

針對人們不能正確進行垃圾分類，人工分類耗時耗力等問題， 本文設(shè)計了一種智能垃圾分類系統(tǒng)。 系統(tǒng)進行高效的垃圾分類，使人們不用考慮所扔垃圾的種類。 系統(tǒng)通過語音交互，能夠普及人們對垃圾分類的認識，對社會中垃圾分類起到促進作用，具有一定的實際意義和研究價值。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32F103RCT6 作為核心控制芯片，此芯片具有高性能、低功耗和造價低等特點。 在垃圾識別環(huán)節(jié)使用了OpenMV 模塊，通過訓(xùn)練垃圾數(shù)據(jù)庫，采用SSD 算法進行垃圾的識別，識別之后，通過單片機串口接收識別的數(shù)據(jù)，進行控制語音識別芯片LD3320 進行對應(yīng)垃圾種類的播報， 同時單片機驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)， 使內(nèi)桶精準旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)的位置。 旋轉(zhuǎn)完成后，通過單片機控制放有垃圾的舵機板旋轉(zhuǎn)，使垃圾落入對應(yīng)的內(nèi)桶。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.1 System structure design

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)主要由STM32 單片機最小系統(tǒng)電路、OpenMV 垃圾識別電路、 超聲波測距電路、 電源電路、語音交互電路及控制電路組成，如圖2 所示。 整個系統(tǒng)主要以STM32 單片機最小系統(tǒng)為主要處理器。 垃圾通過OpenMV 模塊訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行識別，將識別的數(shù)據(jù)信息傳遞給單片機，通過單片機控制電機、舵機的旋轉(zhuǎn)，完成整個垃圾分類系統(tǒng)。

圖2 硬件電路設(shè)計圖Fig.2 Hardware circuit design

2.1 單片機最小系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)的主控芯片采用STM32F103RCT6 單片機，選用這種芯片組成單片機最小系統(tǒng)主要由于其構(gòu)成的電路設(shè)計較為簡單，并且反應(yīng)速度快，程序存儲量相對于51 單片機來說較大。 本文中所設(shè)計的系統(tǒng)主要以其作為主控芯片，通過串口接收并處理數(shù)據(jù)，從而對整個系統(tǒng)功能進行實現(xiàn)。 電路圖如圖3 所示。

2.2 OpenMV 垃圾識別電路設(shè)計

OpenMV 攝像頭是一款小巧、低功耗、低成本的電路板， 可以通過高級語言Python 實現(xiàn)處理算法。在小巧的硬件模塊上，用C 語言高效地實現(xiàn)了核心機器視覺算法，提供Python 編程接口。 Python 的高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很容易在機器視覺算法中處理復(fù)雜的輸出。 而且可以完全控制OpenMV，包括IO 引腳。

2.3 超聲波測距電路設(shè)計

該部分用于檢測箱內(nèi)垃圾的高度，判斷是否需要清理桶內(nèi)垃圾。 設(shè)計的垃圾箱為90 cm，因此根據(jù)人為合理劃定，認為當R<30 cm 時，為垃圾較少；當30 cm

2.4 電源電路設(shè)計

電源電路包括兩部分，一部分是將太陽能轉(zhuǎn)化的12 V 直流電轉(zhuǎn)換為5 V 直流電供紅外傳感器和超聲波模塊使用， 另一部分是將5 V 轉(zhuǎn)換為3.3 V供STM32 使用。

2.4.1 12 V 轉(zhuǎn)5 V 電路設(shè)計

圖3 單片機最小系統(tǒng)電路Fig.3 Minimum system circuit of single chip microcomputer

圖4 超聲波測距原理Fig.4 Principle of ultrasonic ranging

該電路采用LM2596-5 芯片進行降壓得到5 V，LM2596 屬于常用的開關(guān)電源芯片，造價便宜。 12 V接入IN 端， 在輸出端接一個470 μF 電解電容和105 電容， 進一步濾除紋波得到5 V 穩(wěn)壓電源。 圖中發(fā)光二極管起指示作用， 轉(zhuǎn)換效率可達80%～90%左右。該電路原理如圖5 所示。

圖5 12 V 轉(zhuǎn)5 V 電路Fig.5 12 V to 5 V circuit

2.4.2 5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電路設(shè)計

STM32 單片機穩(wěn)定工作需要穩(wěn)定的電壓，因此將5 V 轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V 電壓供單片機使用。 本設(shè)計采用線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3 V，該芯片可以將輸入的5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 輸出，此部分電路原理如圖6 所示。 VCC5為5 V 電壓，IN 為穩(wěn)壓芯片的輸入引腳，OUT 是3.3 V輸出引腳， 左側(cè)104 電容、220 μF 電容起濾波作用，發(fā)光二極管起指示作用。

圖6 5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電路Fig.6 5 V to 3.3 V circuit

2.5 語音交互電路設(shè)計

本設(shè)計采用了語音識別芯片LD3320，該芯片采用ASR 技術(shù)，提供了一種脫離按鍵、鍵盤、鼠標、觸摸屏等GUI 操作方式且基于語音的用戶界面VUI，使得用戶對該系統(tǒng)的操作更簡單、快速和自然[3-4]。 只需把識別的關(guān)鍵詞語以字符串的形式傳送進芯片，即可以在下次識別中立即生效。如：使用者問“干電池屬于什么垃圾？”，本系統(tǒng)回答“屬于有害垃圾”，或者當使用者把干電池放入桶內(nèi)，本系統(tǒng)會播報“屬于有害垃圾”。 該電路原理圖如圖7所示。

圖7 LD3320 語音識別模塊原理圖Fig.7 Schematic diagram of LD3320 speech recognition module

2.6 控制電路設(shè)計

2.6.1 舵機電路設(shè)計

采用2 個TD-8120MG 型舵機， 固定在識別擋板兩側(cè)，使識別擋板可以水平放置和豎直放置。 該種型號舵機內(nèi)含先進的ASIC IC 來處理單片機的信號，具有很強的解析度，扭矩更大，可以完全托住識別擋板及擋板上面的待識別垃圾。 兩舵機采用同一個單片機信號，使兩舵機可以同步進行。

2.6.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

采用A4988 模塊驅(qū)動電機工作，A4988 是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護的DMOS 微步驅(qū)動器，該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8 及1/16 步進模式時操作雙極步進電動機。 只要在“步進”輸入中輸入一個脈沖，即可驅(qū)動電動機產(chǎn)生微步。 無須進行相位順序表、高頻率控制行或復(fù)雜的界面編程[5]。A4988 界面非常適合復(fù)雜的微處理器不可用或過載的應(yīng)用。 該電路原理如圖8 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)使用Keil 和PyCharm 開發(fā)軟件作為開發(fā)環(huán)境，主要以C 語言和python 語言進行設(shè)計。 整個系統(tǒng)軟件部分主要分為垃圾識別和控制電機、舵機。 前者使用python 語言，后者使用C 語言。 通過OpenMV 將識別到的垃圾傳輸?shù)絾纹瑱C， 然后單片機進行分析數(shù)據(jù)，單片機向語音交互模塊發(fā)送驅(qū)動信號來播報垃圾的種類，并控制電機、舵機完成垃圾的自動分類。

圖8 電機驅(qū)動電路Fig.8 Motor drive circuit

3.1 OpenMV 垃圾分類程序設(shè)計

如圖9 所示， 識別垃圾分類部分采用PyCharm進行大量垃圾樣本信息的訓(xùn)練和積累，建立垃圾樣本數(shù)據(jù)庫。 通過OpenMV 識別被檢測垃圾，判斷被檢測垃圾所屬的種類，進而進行垃圾的自動分類處理。把垃圾放入識別擋板之上，OpenMV 開始識別垃圾樣本，然后識別樣本與垃圾樣本庫進行數(shù)據(jù)分析對比，判斷垃圾所屬種類。 若識別垃圾為可回收垃圾，系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的量化，把數(shù)據(jù)“1”，賦值給變量a。 進而單片機與OpenMV 開始建立串口通信，OpenMV 開始發(fā)送數(shù)據(jù)a 給單片機，直到完成發(fā)送，OpenMV 開始繼續(xù)檢測待測垃圾的種類。

圖9 垃圾檢測流程Fig.9 Waste detection flow chart

3.2 電機轉(zhuǎn)動程序設(shè)計

電機轉(zhuǎn)動程序的設(shè)計主要通過判斷a 的值，控制產(chǎn)生4 種指定脈沖個數(shù)的方波。 選擇步距為1.8°的電機，為了精確地進行角度控制，采用1/16 步驅(qū)動。 角度與脈沖個數(shù)公式如下：

式中：N 為脈沖個數(shù)；θ 為旋轉(zhuǎn)角度。 根據(jù)公式計算可得：旋轉(zhuǎn)90°，需要800 個脈沖；旋轉(zhuǎn)180°，需要1600 個脈沖；旋轉(zhuǎn)270°，需要2400 個脈沖。

系統(tǒng)通電之后開始進行初始化，其他垃圾的內(nèi)桶自動旋轉(zhuǎn)至識別擋板之下，單片機循環(huán)等待接收OpenMV 即將發(fā)送的數(shù)據(jù)， 直到接收OpenMV 發(fā)送的值。 然后單片機進行數(shù)據(jù)判斷處理。 若單片機接收a=“1”時，連接電機驅(qū)動器的PA0 口，產(chǎn)生800 個脈沖，使控制內(nèi)桶位置的電機轉(zhuǎn)動90°。 此時，可回收垃圾的內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)至識別擋板之下，進行精準的垃圾分類。 該部分流程如圖10 所示。

圖10 電機轉(zhuǎn)動流程Fig.10 Flow chart of motor rotation

4 系統(tǒng)調(diào)試

給系統(tǒng)供電， 通過改變?nèi)梭w接近垃圾桶的距離， 檢測系統(tǒng)是否正確打開垃圾桶投放口。 通過OPenMV 分別訓(xùn)練4 組垃圾樣本，廢紙（可回收垃圾）、菜葉（廚余垃圾）、電池（有害垃圾）、塑料袋（其他垃圾），每組采集50 張圖片存入垃圾樣本庫中，系統(tǒng)對每一種垃圾進行了100 次識別，經(jīng)過實踐統(tǒng)計得到下表。

表2 內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of inner barrel rotation

由上面的表格可以看出，系統(tǒng)識別單一垃圾的功能是穩(wěn)定可靠的，識別成功率均大于90%。 系統(tǒng)正確旋轉(zhuǎn)成功率大于99%，具有可靠精確旋轉(zhuǎn)的能力。

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的太陽能供電的智能垃圾分類處理系統(tǒng)，使用了STM32 單片機作為主控芯片，實現(xiàn)了垃圾桶智能識別垃圾種類并自動分類的功能。 比傳統(tǒng)意義上的分類垃圾箱更智能、更便捷。 該系統(tǒng)基本可以滿足單一垃圾的分類處理，同時系統(tǒng)具有語音交互功能，提高系統(tǒng)的實用性以及普及人們的知識。所以本系統(tǒng)具有一定的市場研究價值和應(yīng)用價值。