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(biāo)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(jìn)行正確投放，這使垃圾分類沒有達(dá)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(jìn)行了較多的研究。 文獻(xiàn)[1]對垃圾回收分類進(jìn)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(jìn)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(xiàn)[2]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對垃圾分類進(jìn)行了研究。

針對人們不能正確進(jìn)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(jìn)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(rèn)識，對社會中垃圾分類起到促進(jìn)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(jìn)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(jìn)行控制語音識別芯片LD3320 進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(rèn)為當(dāng)R<30 cm 時，為垃圾較少；當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(biāo)、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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)模式時操作雙極步進(jìn)電動機。 只要在“步進(jìn)”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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)而進(jìn)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)的量化，把數(shù)據(jù)“1”，賦值給變量a。 進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行精準(zhǔn)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(jìn)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。