基于OpenMV 的生活垃圾智能分類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧三星，薛國(guó)陽(yáng)，張兆寬，李恒，楊蒙蒙

（1.黃河交通學(xué)院，河南焦作，454950；2.焦作市智能機(jī)器人工程技術(shù)研究中心，河南焦作，454950）

0 引言

近年來(lái)，垃圾分類(lèi)成了一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，引起了廣泛的關(guān)注和討論。隨著人口的增多和城市發(fā)展的加快，所產(chǎn)生的垃圾也越來(lái)越多，垃圾的處理問(wèn)題日益突出。為了建設(shè)美麗宜居的城市，垃圾分類(lèi)已經(jīng)成為每個(gè)人都應(yīng)該積極參與并重視的環(huán)保行動(dòng)。垃圾分類(lèi)不僅幫助減少環(huán)境污染，還能回收再利用資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[1]。為此結(jié)合了文獻(xiàn)[2～4]設(shè)計(jì)了一款生活垃圾智能分類(lèi)系統(tǒng)，以STM32 單片機(jī)為核心，利用OpenMV 視覺(jué)模塊進(jìn)行圖像識(shí)別，可以對(duì)城市中多種類(lèi)型的垃圾進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)還可以對(duì)垃圾箱內(nèi)垃圾滿(mǎn)載進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)串口屏電路設(shè)計(jì)，當(dāng)沒(méi)有垃圾投入時(shí)，屏幕播放垃圾分類(lèi)相關(guān)知識(shí)視頻，當(dāng)檢測(cè)到垃圾投入時(shí)屏幕立即顯示垃圾相關(guān)信息，以宣傳垃圾分類(lèi)的重要性。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

生活智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的垃圾識(shí)別系統(tǒng)是由攝像頭OpenMV,STM32F103ZET6 單片機(jī)主控芯片，二維云臺(tái)，滿(mǎn)載檢測(cè)，串口屏顯示組成。

生活智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的工作原理：整個(gè)電路通電之后，對(duì)單片機(jī)的復(fù)位引腳施加一個(gè)信號(hào)，使整個(gè)系統(tǒng)處于初始化狀態(tài)，等待垃圾投放時(shí)串口屏?xí)貜?fù)播放垃圾分類(lèi)宣傳視頻。當(dāng)有垃圾投放時(shí)，二維云臺(tái)設(shè)計(jì)了托盤(pán)結(jié)構(gòu)，保證了垃圾投放的穩(wěn)定性，同時(shí)OpenMV 會(huì)對(duì)托盤(pán)內(nèi)的垃圾進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，將分析得到的數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)判斷垃圾類(lèi)型，控制二維云臺(tái)把垃圾投入對(duì)應(yīng)垃圾箱內(nèi)，超聲波傳感器對(duì)箱內(nèi)垃圾容量進(jìn)行判斷，當(dāng)垃圾達(dá)到設(shè)定高度后，單片機(jī)收到信息，控制串口屏顯示垃圾序號(hào)，信息，滿(mǎn)載情況。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 系統(tǒng)器件選擇

垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的主控芯片采用的是STM32F103ZET6單片機(jī)，板載資源豐富。STM32F103ZET6 搭載了ARM Cortex-M3 32 位處理器，具有較高的性能和低功耗特性。運(yùn)行主頻可高達(dá)120 MHz, 有512KB 的Flash 存儲(chǔ)器和64KB 的SRAM。它具有廣泛的外設(shè)接口，包括多個(gè)通用定時(shí)器、串口通信接口、模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、PWM 控制器、USB 控制器等。還支持多種通信協(xié)議，包括SPI、I2C、UART 和CAN，適合連接到不同類(lèi)型的外部設(shè)備和通信總線(xiàn)。

OpenMV 視覺(jué)模塊[5]是一款性能強(qiáng)大，低成本且開(kāi)源的電子設(shè)備，如圖2 所示。OpenMV 采用ARM Cortex-M系列微控制器，配備高質(zhì)量圖像傳感器，以及專(zhuān)門(mén)的圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)硬件單元，同時(shí)還提供了一系列用于圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件庫(kù)，包括顏色追蹤、人臉檢測(cè)、二維碼識(shí)別等。強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境OpenMV IDE 能夠協(xié)助完成編程、調(diào)試和更新固件等工作。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型，訓(xùn)練模型傳遞給OpenMV，能夠保證垃圾識(shí)別的準(zhǔn)確性，完成垃圾識(shí)別的功能。

圖2 OpenMV4 H7 plus

二維云臺(tái)是一種常用于的機(jī)器人和攝像設(shè)備的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，它可以實(shí)現(xiàn)在水平和垂直方向上的全方位旋轉(zhuǎn)。它通常由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，使其能夠在水平面和垂直面上進(jìn)行精確的定位和調(diào)整。本系統(tǒng)所選二維云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)到270 度，完全可以覆蓋四個(gè)垃圾箱，實(shí)現(xiàn)垃圾的精準(zhǔn)投放。

超聲波測(cè)距原理是在超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波脈沖[6]，利用聲波的傳播速度與距離之間的關(guān)系，可以通過(guò)測(cè)量脈沖的時(shí)間差來(lái)推斷物體與傳感器之間的距離。利用這種特性可以在程序上設(shè)定超聲波傳感器的閾值，當(dāng)垃圾箱內(nèi)的垃圾的高度達(dá)到設(shè)定值后，反饋給單片機(jī)一個(gè)信號(hào)，控制串口屏顯示垃圾箱中的垃圾存放信息。

1.3 電源

電源模塊最核心元件為電池，所選用的電池應(yīng)滿(mǎn)足安全、電池容量大、電池可循環(huán)次數(shù)多、重量小、體積小等條件，還要根據(jù)單片機(jī)所需供電電壓等級(jí)，設(shè)計(jì)電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換電路。LM2596 電源模塊基于LM2596 芯片，該芯片是一款高效率降壓穩(wěn)壓器，能夠?qū)⑤斎腚妷航档椭凛^低的輸出電壓，當(dāng)輸出電流超過(guò)一定限制時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)降低輸出電壓，以保護(hù)電路和負(fù)載。本設(shè)計(jì)采用2000mAh 鋰電池組，可同時(shí)輸出不同電壓，電源采用12V 輸入，采用四路輸出，5V 輸出供電用于二維云臺(tái)，傳感器和串口屏，3.3V 輸出用于MCU 和OpenMV，另外兩路用于擴(kuò)展模塊電路的供電，電源模塊電路如圖3 所示。

圖3 電源模塊電路圖

2 總體結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)有整體框架、垃圾分類(lèi)結(jié)構(gòu)、滿(mǎn)載結(jié)構(gòu)三部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 垃圾投放裝置設(shè)計(jì)

生活智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)可以識(shí)別城市生活中常見(jiàn)的有害垃圾、可回收垃圾、廚余垃圾和其他垃圾等，其中包括個(gè)頭很小的煙頭或者電池，以及礦泉水瓶等形狀不一的垃圾，設(shè)計(jì)的投放裝置要保證在分類(lèi)過(guò)程中，垃圾不掉落且平穩(wěn)的投入相對(duì)應(yīng)的垃圾箱內(nèi)。

垃圾投放裝置安裝在總體框架內(nèi)，該裝置應(yīng)具有良好的承載能力、較強(qiáng)的穩(wěn)定性和快速反應(yīng)能力。本系統(tǒng)在二維云臺(tái)上方加裝了一個(gè)托盤(pán)，用于盛放垃圾，二維云臺(tái)能夠完美地完成相應(yīng)的動(dòng)作，托盤(pán)采用四方一端開(kāi)口設(shè)計(jì)，可以保證垃圾在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不掉落，整體動(dòng)作靈敏，效率較高。二維云臺(tái)如圖5 所示。

圖5 二維云臺(tái)

2.2 滿(mǎn)載設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可以檢測(cè)垃圾箱內(nèi)垃圾是否超過(guò)80%，需要較強(qiáng)的準(zhǔn)確性，滿(mǎn)載檢測(cè)工作是由超聲波傳感器來(lái)完成，只要垃圾容量達(dá)到設(shè)定的閾值，串口屏就會(huì)顯示對(duì)應(yīng)垃圾信息，提醒工作人員及時(shí)更換垃圾箱，提高資源回收重復(fù)利用率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)通電后，程序初始化運(yùn)行，二維云臺(tái)復(fù)位到初始位置，等待垃圾投入，串口屏循環(huán)播放垃圾分類(lèi)視頻，垃圾投入后，系統(tǒng)協(xié)調(diào)各模塊完成相應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)工作流程如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是USART HMI 軟件來(lái)對(duì)串口屏進(jìn)行UI界面設(shè)計(jì)，軟件界面簡(jiǎn)潔，功能完善，操作簡(jiǎn)單，主界面如圖7 所示。USART HMI 軟件操作界面最上方一欄為功能區(qū)，左上邊為組件工具箱，左下為資源區(qū)，可以放置各種資源，中間是屏幕的布局區(qū)域了，布局區(qū)域下面是事件處理區(qū)域，可以編寫(xiě)事件處理代碼，右上可以添加新的編輯欄，右下為組件的屬性欄。在UI 布局界面中可以在最上面設(shè)置標(biāo)題，下方可以布置垃圾的類(lèi)型，具體垃圾名稱(chēng)，用紅綠圖標(biāo)表示垃圾投放成功與否。在垃圾滿(mǎn)載時(shí)，同樣會(huì)顯示垃圾是否滿(mǎn)載的信息。

圖7 USART HMI 操作界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了檢測(cè)智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)各種功能的可行性，對(duì)其展開(kāi)了一系列測(cè)試。

利用OpenMV 視覺(jué)模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的智能識(shí)別和分類(lèi)。首先需要收集垃圾和非垃圾物體的圖像數(shù)據(jù)集，對(duì)其進(jìn)行比對(duì)，將收集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，處理完之后對(duì)圖像數(shù)據(jù)采用深度算法學(xué)習(xí)，建立訓(xùn)練模型。導(dǎo)入OpenMV視覺(jué)模塊后，系統(tǒng)可以快速識(shí)別垃圾，判斷其所屬種類(lèi)及詳細(xì)信息，并自動(dòng)進(jìn)行垃圾分類(lèi)處理。整個(gè)流程中，OpenMV視覺(jué)模塊將識(shí)別到的樣本與數(shù)據(jù)庫(kù)中的垃圾樣本進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)分析判斷后，輸出垃圾所屬種類(lèi)。系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，并經(jīng)由串口通信傳輸給系統(tǒng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的精準(zhǔn)分類(lèi)。測(cè)試場(chǎng)景效果圖8 所示。

圖8 測(cè)試場(chǎng)景效果圖

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試之后，系統(tǒng)已經(jīng)能夠識(shí)別超過(guò)20 種垃圾了，且可以在1 分鐘實(shí)現(xiàn)15 次的垃圾分類(lèi)。滿(mǎn)載檢測(cè)也會(huì)在垃圾容量超過(guò)80%時(shí)在屏幕上進(jìn)行顯示。具體測(cè)試?yán)?lèi)型如表1 所示。

表1 垃圾類(lèi)型

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，垃圾分類(lèi)投放成功率穩(wěn)定在97%以上，且垃圾識(shí)別分類(lèi)時(shí)間較短，能夠滿(mǎn)足垃圾的快速分類(lèi)、投放的功能需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)切實(shí)考慮了當(dāng)代的城市社會(huì)發(fā)展中垃圾分類(lèi)的需求，設(shè)計(jì)的生活垃圾智能分類(lèi)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工垃圾分類(lèi)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的難題。該設(shè)計(jì)完全能夠滿(mǎn)足智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，相對(duì)于現(xiàn)有的垃圾箱，具有穩(wěn)定性好，效率高，維護(hù)成本低，發(fā)展前景好等優(yōu)勢(shì)，可以為城市的環(huán)境保護(hù)和資源回收提供強(qiáng)有力的支持。