智能廢電池回收系統的設計

高 淵，景鵬強，劉雨晴，董軍堂

（延安大學，陜西 延安 716000）

0 引 言

隨著電子技術水平的逐漸提升，電子產品的需求越來越大，電池的生產與使用量也日益增長，電池的應用已經遍及到生活的各個方面。人們在享受科技成果帶來的便利時，也同樣受到了廢舊電池的危害[1]。電池使用后如果未能及時回收處理，會對環境造成極大的污染，為減少廢電池對環境造成的危害，本文根據當下機器視覺的研究[2]，設計了一種智能廢電池回收系統，解決了回收廢電池難的問題。

1 硬件設計

1.1 電路設計

本文設計的智能廢電池回收系統主要利用單片機STM32來控制紅外檢測模塊、顯示模塊、語音播報模塊等硬件電路，實現檢測廢品投入、顯示并播報投入廢電池的種類和數量的功能；TensorFlow訓練樹莓派進行機器視覺的深度學習，完成識別廢電池的功能，其組成框圖如圖1所示。

圖1 系統主電路框圖

1.2 樹莓派

本設計采用樹莓派4B，其特點是與前代產品相比具有更多更快的RAM，需要一個5 V/3 A的電源適配器進行供電[3]。樹莓派由STM32控制，當檢測電路檢測到有物品投入，主控控制樹莓派開啟進行機器視覺識別，判斷是否是廢電池，并將判斷結果返回給STM32[4]。

1.3 STM32主控模塊

本設計采用STM32F107芯片，標準外設包括十個定時器、兩個12位模數轉換器和兩個12位數模轉換器、五個USART接口和三個SPI端口，可以滿足本設計的主控需求。

本設計主要通過STM32控制紅外檢測模塊、顯示模塊和語音播報模塊。當檢測電路傳感器檢測到有廢品投入時，STM32控制樹莓派開啟機器視覺識別進行廢電池的判斷，并將判斷結果返回給STM32，STM32通過判斷樹莓派返回信息控制顯示和語音電路，顯示并播報電池種類和數量[5]。

1.4 檢測電路設計

檢測電路采用電感式傳感器和光電耦合器進行紅外檢測，如圖2所示。當傳感器檢測到有廢品投入時，信號通過光電耦合器分離，74LS08驅動后進入STM32進行處理；當傳感器檢測到系統中廢品數量已滿時，單片機會控制語音播報模塊發聲提醒。

圖2 檢測電路

1.5 顯示模塊

顯示模塊采用與STM32配套的TFT-LCD屏幕，主要用來顯示本次投入廢電池的種類和數量。TFT為薄膜晶體管液晶顯示屏，主要的構成包括背光源、導光板、擴散膜、棱鏡膜、配向膜、薄膜晶體管等，TFT屏幕的所有像素點都是由薄膜晶體管來驅動，顯示色彩鮮艷逼真，生產經濟環保[6]。TFT屏幕的組成結構如圖3所示。

圖3 TFT屏幕

1.6 語音模塊

語音模塊主要實現播報投入廢電池的種類和數量的功能，當檢測電路檢測到系統中廢品數量已滿時，語音模塊也會進行蜂鳴提醒。

2 軟件設計

軟件部分主要分為STM32控制和樹莓派識別兩個部分。當檢測電路檢測到有廢品投入時，為提升識別速率，單片機控制樹莓派啟動，每隔2 s進行一次拍照識別，若識別是0即不是廢電池，循環進行廢品檢測；若識別是1即是5號、7號、扣式電池等一次性干電池；若識別是2即是可充電的鉛酸蓄電池、鎳氫充電電池、鋰離子電池等二次電池，樹莓派將數據傳給單片機，進而控制顯示電路和語音電路顯示并播報電池種類和數量。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程

2.1 TensorFlow

TensorFlow是一個基于數據流編程的符號數學系統，被廣泛應用于各類機器學習、深度神經網絡，具有強大的系統通用性，TensorFlow是Python的一個庫，但與其他庫不同，TensorFlow是一個專門用于表示抽象計算的框架。本設計利用TensorFlow結合其他庫完成工作[7]。

2.2 目標檢測網絡與數據集

本設計通過網絡收集和自己拍攝圖片組成廢舊電池的數據集，選擇了目標檢測網絡的YOLO v3框架[8]，YOLO v3引入了RCNN的Anchor框架體系大幅提升map，雖喪失了部分精度，但對于全局信息有較好的表現。目標檢測網絡可以理解為是在傳統神經網絡上改進的，其結構如圖5所示，主要由輸入層、隱藏層、輸出層組成。其中隱藏層一般不止一層，主要進行多層次的卷積特征提取。目標檢測的具體流程為：采集數據、數據預處理、初步提取數據特征、遷移學習、識別測試。

圖5 目標檢測網絡

3 結 語

智能型廢品回收系統主要用來識別和分離廢電池，在樹莓派識別部分通過攝像頭拍照和數據集載入兩種方式輸入圖片，當識別為0，則不是廢電池；當識別為1，則是一次性干電池；當識別為2，則是二次電池。單片機STM32部分主要實現了檢測電路、顯示電路、語音檢測電路的功能交互。本設計使得識別時間不超過3 s，可以在大部分垃圾中識別出廢電池，且對廢電池的識別準確率可以達到90%[9-10]，對jpg、png等圖片格式都支持。本設計實現了檢測廢品投入、顯示并播報投入廢電池的種類和數量的功能，具有轉向自由、無人管理等特點。利用該系統在人流量大、電子產品運用多的公共場所回收廢品，可以方便高效地回收廢電池等可再生的廢品資源。