徐必利，儲健，林曦，胡山，王鵬丞，蘇東升，胡明輝

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)作為主控終端，通過連接步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、ESP8266WIFI 模塊、K210 攝像頭AI 設(shè)備以及觸摸屏構(gòu)建整個垃圾分類系統(tǒng)，采用手機(jī)作為遠(yuǎn)程控制APP 的智能生活垃圾分類系統(tǒng)。該設(shè)計通過自己開發(fā)的手機(jī)APP 可以在Wi-Fi 范圍內(nèi)控制垃圾分類裝置進(jìn)行垃圾分類[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件裝置主要由K210、STM32 單片機(jī)、ESP8266WIFI 模塊、鋰電池、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)組成，系統(tǒng)如圖1 所示，手機(jī)APP 如圖2 所示。

圖2 垃圾分類手機(jī)APP

2.1 K210 模塊

本系統(tǒng)使用的是K210 人工智能開發(fā)板和MaixPy IDE 開發(fā)環(huán)境，編程語言使用Python 讓編程更加簡單快捷，使用了K210 自帶的1TOPS 算力的KPU 對圖片模型進(jìn)行算法的處理，使攝像頭準(zhǔn)確地識別出各種垃圾，相應(yīng)的垃圾分別發(fā)送相應(yīng)的串口程序給STM32 單片機(jī)，使用單片機(jī)進(jìn)行處理[2]。

2.2 STM32 單片機(jī)控制

智能生活垃圾分類系統(tǒng)采用的單片機(jī)是STM32F103C8T6，用到了1 個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊來控制步進(jìn)電機(jī)、1 個K210 模塊、1 個ESP8266WIFI 模塊、1 個舵機(jī)。電源采用的是12 Ⅴ電源供電，用了2 個降壓模塊給單片機(jī)、ESP8266WIFI 模塊、觸摸屏、舵機(jī)及K210 攝像頭提供電源。STM32F103C8T6 用了2 個引腳分別控制1 個步進(jìn)電機(jī)的脈沖和方向。K210 攝像頭的數(shù)值返回到單片機(jī)的串口來判斷相應(yīng)的連接分類從而執(zhí)行相應(yīng)的操作。ESP8266WIFI 控制模塊由2 部分組成，一個是使用小程序通過MQTT 協(xié)議接入云平臺，另一個接在單片機(jī)。通過小程序給Wi-Fi 模塊發(fā)送指令，單片機(jī)接受到指令從而執(zhí)行相應(yīng)的垃圾分類的操作，達(dá)到了遠(yuǎn)程軟件控制的功能，本系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制范圍在Wi-Fi 范圍內(nèi)，當(dāng)然可以通過5G 網(wǎng)絡(luò)開啟熱點(diǎn)建立相應(yīng)的Wi-Fi 進(jìn)行控制[3]。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制過程

執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊包括步進(jìn)電機(jī)（旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）、舵機(jī)（倒放垃圾）。通過識別傳感器將垃圾圖像識別出來發(fā)送相應(yīng)的數(shù)值給STM32F103C8T6 單片機(jī)。例如，識別傳感器檢測到香蕉，發(fā)送數(shù)字1，單片機(jī)接收到1這個數(shù)字，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到廚余垃圾位置，舵機(jī)動作將垃圾倒入廚余垃圾桶里，垃圾投入以后將步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)復(fù)位[4]。

2.3.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機(jī)。每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。通過STM32F103C8T6 單片機(jī)發(fā)送PWM 波來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度，輸入3 000 次脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就會旋轉(zhuǎn)90°，轉(zhuǎn)速與脈沖時間成反比，通過控制輸入脈沖次數(shù)來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，通過控制延時的時間可以控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度。

2.3.2 舵機(jī)工作原理

伺服電機(jī)通常被稱為舵機(jī)，它是一種帶有輸出軸的小裝置。當(dāng)向伺服器發(fā)送一個控制信號時，輸出軸就可以轉(zhuǎn)到特定的位置。主要控制信號持續(xù)不變，伺服機(jī)構(gòu)就會保持軸的角度位置不改變。如果控制信號發(fā)送變化，輸出軸也會相應(yīng)發(fā)生變化。例如給舵機(jī)通上5 Ⅴ的電壓，通過單片機(jī)發(fā)送20 ms 的時基脈沖，1 ms保持高電平，其他19 ms 保持低電平，舵機(jī)就旋轉(zhuǎn)45°。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 物體模型訓(xùn)練和使用訓(xùn)練模型進(jìn)行垃圾分類

本生活智能垃圾分類系統(tǒng)使用Yolo 軟件進(jìn)行相應(yīng)垃圾圖片訓(xùn)練，將訓(xùn)練出來的模型導(dǎo)入K210 通過相應(yīng)的算法進(jìn)行人工智能垃圾分類。K210 與STM32 單片機(jī)進(jìn)行串口通信，K210 串口發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)來控制單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)完成相應(yīng)的垃圾分類。訓(xùn)練模型如圖3 所示，訓(xùn)練結(jié)果如圖4 所示[5]。

圖3 完成相應(yīng)的垃圾模型

圖4 訓(xùn)練結(jié)果顯示

3.1.1 對當(dāng)前垃圾數(shù)據(jù)圖片訓(xùn)練

通過K210 的拍照程序捕獲照片數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲到SD 卡中，每種垃圾不同位置的照片100 張，本系統(tǒng)共訓(xùn)練10 種不同垃圾，因此需要采集1 000 張照片，完成照片的采集后對照片進(jìn)行打標(biāo)簽操作，即把每一種圖片的名字寫入分好組，上傳到Y(jié)olov3 訓(xùn)練軟件進(jìn)行圖片識別。

3.1.2 導(dǎo)入完成訓(xùn)練模型文件進(jìn)行識別

K210 開發(fā)板使用minimum 版本固件，將訓(xùn)練好的模型文件導(dǎo)入到K210 中，使用kflash_gui 燒錄模型文件到Flash，這個模型文件會自動燒錄到地址0x300000 上，不需要手動選擇地址，保存標(biāo)簽文件labels.txt 到文件系統(tǒng)，最簡單的是放到SD 卡中；之后是使用K210 開發(fā)工具進(jìn)行寫代碼，將模型加載到程序中，將SD 卡中的標(biāo)簽文件讀取到程序中，調(diào)用一些攝像頭、LCD、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器的程序。

3.1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器KPU 介紹

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器KPU 可以在低功耗的情況下實現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，實時獲取被檢測目標(biāo)的大小、坐標(biāo)和種類，對人臉或者物體進(jìn)行檢測和分類。電池實物識別如圖5 所示，橘子實物識別如圖6 所示。

圖5 電池實物識別

圖6 橘子實物識別

3.2 百度云物接入

百度智能云IoT 物管理，提供用戶在云端管理設(shè)備的能力。用戶能夠獲取并控制設(shè)備狀態(tài)、進(jìn)行設(shè)備的批量操作以及設(shè)備診斷。一方面，設(shè)備主動向物管理中心更新狀態(tài)信息；另一方面，控制端也可以通過和設(shè)備管理中心交互反控設(shè)備的行為，比如設(shè)備狀態(tài)更新、OTA 遠(yuǎn)程設(shè)備升級等。因此，設(shè)備管理中心既需要負(fù)責(zé)和設(shè)備端交互，又要負(fù)責(zé)和控制端交互。設(shè)備端的交互主要基于MQTT 協(xié)議，而控制端通過HTTP通信。IoT Device Management API 主要包括控制端的相關(guān)功能，以Restful API 的形式提供。

通過ESP8266 模塊和百度云天工物接入進(jìn)行連接，通過MQTT 協(xié)議進(jìn)行通信，將APP 段數(shù)據(jù)傳送到ESP8266 模塊上，然后ESP8266 通過串口發(fā)送給單片機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的垃圾分類操控[6]。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

3.3 手機(jī)APP 設(shè)計

3.3.1 APP Inventor 平臺介紹

APP Inventor 原是Google Lab 的一個子計劃，由一群工程師和Google 使用者共同設(shè)計完成。Google APP Inventor 是一個完全在線開發(fā)的Android 編程環(huán)境，拋棄復(fù)雜的程式代碼而使用積木式的堆疊法來完成Android 程式。對于Android 初學(xué)者或是機(jī)器人開發(fā)者來說是一大福音。因為對于想要手機(jī)和機(jī)器人交互的使用者而言，他們不太需要太華麗的界面，只要使用基本元件列如按鈕、文字輸入輸出即可。MIT APP Inventor 組件設(shè)計界面如圖8 所示，MIT APP Inventor邏輯設(shè)計界面如圖9 所示。

圖8 MIT APP Inventor 組件設(shè)計界面

圖9 MIT APP Inventor 邏輯設(shè)計界面

3.3.2 手機(jī)APP 和Wi-Fi 模塊交互原理

使用APP Inventor 軟件編程調(diào)用MQTT 的通信工具獲取百度云物聯(lián)網(wǎng)的IP 地址、port 端口、idDevice、userName、password，使用MqttTCP 的接收topic 消息程序和發(fā)送消息程序來和Wi-Fi 模塊進(jìn)行交互。

4 結(jié)束語

通過K210 人工智能開發(fā)板進(jìn)行垃圾分類，AI 垃圾識別及分類精準(zhǔn)地完成垃圾分類任務(wù)，具有精度高、處理快的特點(diǎn)，能夠高效代替人工，提高處理垃圾的效率。這個產(chǎn)品并不僅僅是替換人工，而且能在惡劣環(huán)境下工作，大大減去了垃圾回收成本，提高了垃圾回收率[7]。