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(wú)用處的廢棄物，它擁有巨大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。 但是，目前在我國(guó)城市街道上的分類(lèi)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(shí)別垃圾種類(lèi)。 再加上很多人不知道垃圾分類(lèi)的知識(shí)，無(wú)法進(jìn)行正確投放，這使垃圾分類(lèi)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。 因此垃圾分類(lèi)的智能化已然成為必然的趨勢(shì)。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的科研技術(shù)人員對(duì)垃圾分類(lèi)進(jìn)行了較多的研究。 文獻(xiàn)[1]對(duì)垃圾回收分類(lèi)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)主要通過(guò)金屬傳感器，紅外對(duì)管傳感器等進(jìn)行垃圾識(shí)別分類(lèi)，可以基本實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的垃圾分類(lèi)。 文獻(xiàn)[2]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)垃圾分類(lèi)進(jìn)行了研究。

針對(duì)人們不能正確進(jìn)行垃圾分類(lèi)，人工分類(lèi)耗時(shí)耗力等問(wèn)題， 本文設(shè)計(jì)了一種智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)。 系統(tǒng)進(jìn)行高效的垃圾分類(lèi)，使人們不用考慮所扔垃圾的種類(lèi)。 系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音交互，能夠普及人們對(duì)垃圾分類(lèi)的認(rèn)識(shí)，對(duì)社會(huì)中垃圾分類(lèi)起到促進(jìn)作用，具有一定的實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(jià)低等特點(diǎn)。 在垃圾識(shí)別環(huán)節(jié)使用了OpenMV 模塊，通過(guò)訓(xùn)練垃圾數(shù)據(jù)庫(kù)，采用SSD 算法進(jìn)行垃圾的識(shí)別，識(shí)別之后，通過(guò)單片機(jī)串口接收識(shí)別的數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320 進(jìn)行對(duì)應(yīng)垃圾種類(lèi)的播報(bào)， 同時(shí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)， 使內(nèi)桶精準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置。 旋轉(zhuǎn)完成后，通過(guò)單片機(jī)控制放有垃圾的舵機(jī)板旋轉(zhuǎn)，使垃圾落入對(duì)應(yīng)的內(nèi)桶。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

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

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、OpenMV 垃圾識(shí)別電路、 超聲波測(cè)距電路、 電源電路、語(yǔ)音交互電路及控制電路組成，如圖2 所示。 整個(gè)系統(tǒng)主要以STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)為主要處理器。 垃圾通過(guò)OpenMV 模塊訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，將識(shí)別的數(shù)據(jù)信息傳遞給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)、舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，完成整個(gè)垃圾分類(lèi)系統(tǒng)。

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

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)的主控芯片采用STM32F103RCT6 單片機(jī)，選用這種芯片組成單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由于其構(gòu)成的電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，并且反應(yīng)速度快，程序存儲(chǔ)量相對(duì)于51 單片機(jī)來(lái)說(shuō)較大。 本文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要以其作為主控芯片，通過(guò)串口接收并處理數(shù)據(jù)，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。 電路圖如圖3 所示。

2.2 OpenMV 垃圾識(shí)別電路設(shè)計(jì)

OpenMV 攝像頭是一款小巧、低功耗、低成本的電路板， 可以通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言Python 實(shí)現(xiàn)處理算法。在小巧的硬件模塊上，用C 語(yǔ)言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺(jué)算法，提供Python 編程接口。 Python 的高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很容易在機(jī)器視覺(jué)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(cè)距電路設(shè)計(jì)

該部分用于檢測(cè)箱內(nèi)垃圾的高度，判斷是否需要清理桶內(nèi)垃圾。 設(shè)計(jì)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(shí)，為垃圾較少；當(dāng)30 cm

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路包括兩部分，一部分是將太陽(yáng)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(jì)

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

圖4 超聲波測(cè)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(kāi)關(guān)電源芯片，造價(jià)便宜。 12 V接入IN 端， 在輸出端接一個(gè)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(jì)

STM32 單片機(jī)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(jī)使用。 本設(shè)計(jì)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(yǔ)音交互電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320，該芯片采用ASR 技術(shù)，提供了一種脫離按鍵、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、觸摸屏等GUI 操作方式且基于語(yǔ)音的用戶(hù)界面VUI，使得用戶(hù)對(duì)該系統(tǒng)的操作更簡(jiǎn)單、快速和自然[3-4]。 只需把識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)以字符串的形式傳送進(jìn)芯片，即可以在下次識(shí)別中立即生效。如：使用者問(wèn)“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(huì)播報(bào)“屬于有害垃圾”。 該電路原理圖如圖7所示。

圖7 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊原理圖Fig.7 Schematic diagram of LD3320 speech recognition module

2.6 控制電路設(shè)計(jì)

2.6.1 舵機(jī)電路設(shè)計(jì)

采用2 個(gè)TD-8120MG 型舵機(jī)， 固定在識(shí)別擋板兩側(cè)，使識(shí)別擋板可以水平放置和豎直放置。 該種型號(hào)舵機(jī)內(nèi)含先進(jìn)的ASIC IC 來(lái)處理單片機(jī)的信號(hào)，具有很強(qiáng)的解析度，扭矩更大，可以完全托住識(shí)別擋板及擋板上面的待識(shí)別垃圾。 兩舵機(jī)采用同一個(gè)單片機(jī)信號(hào)，使兩舵機(jī)可以同步進(jìn)行。

2.6.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

采用A4988 模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，A4988 是一款帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的DMOS 微步驅(qū)動(dòng)器，該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8 及1/16 步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 只要在“步進(jìn)”輸入中輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步。 無(wú)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(guò)載的應(yīng)用。 該電路原理如圖8 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用Keil 和PyCharm 開(kāi)發(fā)軟件作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要以C 語(yǔ)言和python 語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。 整個(gè)系統(tǒng)軟件部分主要分為垃圾識(shí)別和控制電機(jī)、舵機(jī)。 前者使用python 語(yǔ)言，后者使用C 語(yǔ)言。 通過(guò)OpenMV 將識(shí)別到的垃圾傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)， 然后單片機(jī)進(jìn)行分析數(shù)據(jù)，單片機(jī)向語(yǔ)音交互模塊發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)播報(bào)垃圾的種類(lèi)，并控制電機(jī)、舵機(jī)完成垃圾的自動(dòng)分類(lèi)。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.8 Motor drive circuit

3.1 OpenMV 垃圾分類(lèi)程序設(shè)計(jì)

如圖9 所示， 識(shí)別垃圾分類(lèi)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(kù)。 通過(guò)OpenMV 識(shí)別被檢測(cè)垃圾，判斷被檢測(cè)垃圾所屬的種類(lèi)，進(jìn)而進(jìn)行垃圾的自動(dòng)分類(lèi)處理。把垃圾放入識(shí)別擋板之上，OpenMV 開(kāi)始識(shí)別垃圾樣本，然后識(shí)別樣本與垃圾樣本庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比，判斷垃圾所屬種類(lèi)。 若識(shí)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(jī)與OpenMV 開(kāi)始建立串口通信，OpenMV 開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)a 給單片機(jī)，直到完成發(fā)送，OpenMV 開(kāi)始繼續(xù)檢測(cè)待測(cè)垃圾的種類(lèi)。

圖9 垃圾檢測(cè)流程Fig.9 Waste detection flow chart

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)主要通過(guò)判斷a 的值，控制產(chǎn)生4 種指定脈沖個(gè)數(shù)的方波。 選擇步距為1.8°的電機(jī)，為了精確地進(jìn)行角度控制，采用1/16 步驅(qū)動(dòng)。 角度與脈沖個(gè)數(shù)公式如下：

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

系統(tǒng)通電之后開(kāi)始進(jìn)行初始化，其他垃圾的內(nèi)桶自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至識(shí)別擋板之下，單片機(jī)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷處理。 若單片機(jī)接收a=“1”時(shí)，連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PA0 口，產(chǎn)生800 個(gè)脈沖，使控制內(nèi)桶位置的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90°。 此時(shí)，可回收垃圾的內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)至識(shí)別擋板之下，進(jìn)行精準(zhǔn)的垃圾分類(lèi)。 該部分流程如圖10 所示。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)流程Fig.10 Flow chart of motor rotation

4 系統(tǒng)調(diào)試

給系統(tǒng)供電， 通過(guò)改變?nèi)梭w接近垃圾桶的距離， 檢測(cè)系統(tǒng)是否正確打開(kāi)垃圾桶投放口。 通過(guò)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(kù)中，系統(tǒng)對(duì)每一種垃圾進(jìn)行了100 次識(shí)別，經(jīng)過(guò)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)得到下表。

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

由上面的表格可以看出，系統(tǒng)識(shí)別單一垃圾的功能是穩(wěn)定可靠的，識(shí)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(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能供電的智能垃圾分類(lèi)處理系統(tǒng)，使用了STM32 單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶智能識(shí)別垃圾種類(lèi)并自動(dòng)分類(lèi)的功能。 比傳統(tǒng)意義上的分類(lèi)垃圾箱更智能、更便捷。 該系統(tǒng)基本可以滿(mǎn)足單一垃圾的分類(lèi)處理，同時(shí)系統(tǒng)具有語(yǔ)音交互功能，提高系統(tǒng)的實(shí)用性以及普及人們的知識(shí)。所以本系統(tǒng)具有一定的市場(chǎng)研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。