周宇輝, 何志琴, 胡 娟, 楊 瑩

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 貴陽550000)

0 引 言

隨著生活質(zhì)量的提到,科技高速發(fā)展,環(huán)境問題也會(huì)逐漸的加劇,有相關(guān)數(shù)據(jù)表明垃圾的產(chǎn)量與GDP 是嚴(yán)密相關(guān)的,隨著GDP 的增加,垃圾產(chǎn)量也在進(jìn)一步加大［1］。 尤其是我國人口數(shù)量基數(shù)大,平均的垃圾產(chǎn)量是很龐大的,城市的環(huán)境問題成為巨大的問題,所以國家開始提出垃圾分類,以便于更好的對(duì)垃圾進(jìn)行合理的處置。

生活中,并不是所有的垃圾都是完全沒有利用價(jià)值的,裝飲料的易拉罐收集后,可以重新熔煉出鋁,做出鋁制用品。 如何高效的對(duì)這些垃圾進(jìn)行分類處理是當(dāng)前整治城市環(huán)境問題的重中之重［2］。所以對(duì)垃圾做分類處理,誕生出了利用不同垃圾桶進(jìn)行垃圾分類,在大街上擺放不同的垃圾桶收集不同的垃圾,現(xiàn)在街上主流垃圾桶分為“可回收垃圾”桶和“不可回收垃圾”垃圾桶。 現(xiàn)在是高科技智能時(shí)代,將人工智能用于垃圾分類,當(dāng)不知道垃圾的具體分類時(shí),垃圾桶會(huì)自動(dòng)幫助選擇。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)智能垃圾桶進(jìn)行了探討, 基于OpenMV 對(duì)垃圾進(jìn)行顏色處理,串口通信將信息傳給Arduino 單片機(jī),進(jìn)過單片機(jī)的處理以后,控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn),打開對(duì)應(yīng)的垃圾桶,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類垃圾。 同時(shí)Arduino 和Labview 的通信可以實(shí)時(shí)的觀察垃圾桶目前的狀態(tài),及時(shí)更換垃圾袋。

本系統(tǒng)主要依靠幾個(gè)模塊之間進(jìn)行串口通信而實(shí)現(xiàn)目標(biāo),利用OpenMV 對(duì)圖像信息采集,發(fā)送給Arduino 單片機(jī)處理相應(yīng)數(shù)據(jù),進(jìn)而控制舵機(jī)選擇對(duì)應(yīng)垃圾槽。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文的硬件結(jié)構(gòu)主要由OpenMV 采集模塊、分類模塊、微處理器、通信模塊、舵機(jī)和電源模塊組成。其中OpenMV 對(duì)垃圾的顏色進(jìn)行采集,提取顏色信息,通過串口通信傳給Arduino 單片機(jī),單片機(jī)與舵機(jī)相連,控制垃圾桶的旋轉(zhuǎn),電源模塊為系統(tǒng)進(jìn)行供電。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig. 1 Overall system block diagram

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig. 2 Design drawing of system hardware structure

2.1 圖像采集模塊

本文設(shè)計(jì)的圖像采集模塊主要是由OpenMV 攝像頭,通過串口通信連接Arduino 單片機(jī),傳輸采集顏色的對(duì)應(yīng)參數(shù),以便Arduino 能夠控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),打開對(duì)應(yīng)的分類垃圾槽［3］。 圖3 是圖像采集模塊OpenMV 和Arduino 的通信結(jié)構(gòu)。

OpenMV4 H7 是本文選用的攝像頭模塊,它集成了一塊STM32H743,主頻400M,內(nèi)存2M,運(yùn)行速度快,而且相比OpenMV3,可選擇的鏡頭更多,而且便于更換。

圖3 OpenMV 與Arduino 串口通信Fig. 3 OpenMV communicates with Arduino serial port

2.2 WiFi 模組

系統(tǒng)中,選用WiFi 模塊ESP8266,該模塊硬件接口豐富,可以滿足本設(shè)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)傳輸要求。能從串口接收數(shù)據(jù),WiFi 輸出數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前垃圾桶的具體狀態(tài)。

ESP8266 有三種模式,分別是STA、AP 和STA＋AP 模式。 在Arduino IDE 環(huán)境中,能夠輕易的添加ESP8266 庫模塊,如圖4 所示。

圖4 Arduino IDE 添加ESP8266 庫Fig. 4 Add the ESP8266 library to the Arduino IDE

添加庫后,使用Arduino 與ESP8266 引腳連接實(shí)心串口通信,數(shù)據(jù)無線傳輸,達(dá)到實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、監(jiān)控垃圾桶內(nèi)情況的目的。 Wifi 模組如圖5 所示。

圖5 wifi 模組Fig. 5 Wifi module

2.3 舵機(jī)模塊

舵機(jī)通過PWM 波來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn),用Arduino 來控制旋轉(zhuǎn)角度。 舵機(jī)力矩大,符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,且Arduino 很容易對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制,編程簡單,可操作性強(qiáng)。 舵機(jī)還包含了伺服電機(jī)的完整系統(tǒng)(電機(jī)、傳感器和控制器),價(jià)格便宜,節(jié)約智能垃圾桶的成本。 圖6 為舵機(jī)模塊圖。

圖6 舵機(jī)模塊Fig. 6 Steering gear module

2.4 垃圾桶結(jié)構(gòu)

為了更好的進(jìn)行分類,設(shè)計(jì)選用圓形旋轉(zhuǎn)垃圾桶,將垃圾桶內(nèi)分為3 個(gè)槽,每一個(gè)槽套上不同的垃圾袋。 當(dāng)垃圾經(jīng)過入口處OpenMV 攝像頭檢測(cè)時(shí),處理顏色信息,再把處理后的信息發(fā)送給Arduino單片機(jī),Arduino 單片機(jī)接收數(shù)據(jù),控制驅(qū)動(dòng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的角度,使得槽到達(dá)垃圾桶的入口處,從而回收垃圾；按照生活規(guī)律還可以劃分不同大小的垃圾區(qū)域,使得空間更為適用,不造成空間浪費(fèi)。 圖7 為垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖7 垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig. 7 Structural design of dustbin

3 垃圾圖像分類智能算法

圖像識(shí)別系統(tǒng)分為三個(gè)部分,第一部分是圖像的采集和獲取,在本系統(tǒng)中,擔(dān)任這個(gè)任務(wù)的主要是OpenMV 搭載的攝像頭,能對(duì)垃圾圖像進(jìn)行獲取；第二部分是對(duì)信息的加工和預(yù)處理,是圖像處理的核心。 這一部分也由OpenMV 處理,將信息傳給Arduino,為后續(xù)垃圾桶工作提供基礎(chǔ),是圖像處理的核心［4］；第三部分是識(shí)別分類的過程,把上一步的信號(hào)轉(zhuǎn)換成垃圾桶所能識(shí)別的信號(hào)。 圖像識(shí)別框圖如圖8 所示。

圖8 圖像識(shí)別框圖Fig. 8 Block diagram of image recognition

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最為廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),由輸入層、隱含層和輸出層組成,各層之間的聯(lián)系用權(quán)值表示。 BP 網(wǎng)絡(luò)需要解決的主要問題是算法,傳統(tǒng)的BP 學(xué)習(xí)算法為最小二乘法［5］。 如圖9為典型BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

設(shè)計(jì)需要做灰度像素識(shí)別,通常從BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層,隱藏層和輸出層開始。

輸入層設(shè)計(jì)：BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層中的節(jié)點(diǎn)數(shù)通常由解決問題的影響因素決定。 對(duì)于圖像識(shí)別,影響系數(shù)是圖像識(shí)別特性。 因此,設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中輸入節(jié)點(diǎn)的數(shù)量等于所使用的圖像識(shí)別功能的數(shù)量。

圖9 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 9 BP neural network model

輸出層設(shè)計(jì)：輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)由輸出值表達(dá)方式?jīng)Q定,本文要確定輸出層的神經(jīng)元,必須設(shè)置目標(biāo)的類別。

隱藏層設(shè)計(jì)：當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用S 型函數(shù)時(shí),如果它是一個(gè)隱藏層,則足以實(shí)現(xiàn)決策分類問題。 增加屏蔽層的數(shù)量可以進(jìn)一步減少錯(cuò)誤,提高準(zhǔn)確性,但會(huì)使網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜,并且增加訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)權(quán)重所需的時(shí)間。 因此,在不做具體要求的情況下,本文選用單隱層［6］。

4 軟件仿真

在OpenMV 軟件中,能通過搭載的攝像頭識(shí)別出圖像的色塊,通過多次訓(xùn)練,將色塊記錄下來,通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給Arduino 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)后續(xù)處理,OpenMV IDE 中有許多例程能尋找色塊,本文以單色塊尋找為例。

4.1 OpenMV IDE

在設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用到的函數(shù)是find＿blobs 函數(shù),通過find＿blobs 函數(shù)可以找到色塊。 設(shè)置顏色的閾值,可以定義多個(gè)顏色列表或者單個(gè)顏色,根據(jù)情況選擇對(duì)應(yīng)的閾值。 假設(shè)填入的是紅色色塊閾值,程序運(yùn)行后,可以看到所追蹤的紅色色塊已經(jīng)被識(shí)別出來,紅色區(qū)域全部被框出,如圖10 所示。

圖10 色塊顯示Fig. 10 Color piece shows

如果還想尋找其他色塊,但是不知道顏色閾值,可以通過IDE 自帶的顏色閾值工具來算出閾值,填入thresholds 函數(shù)中。 例如：需要觀察紅色旁邊的綠色色塊,只需要進(jìn)入閾值工具,拖動(dòng)滑塊將除綠色外其他顏色全部變成黑色,最下面的LAB 閾值則是需要填入的參數(shù)。 具體色塊閾值條節(jié)如圖11 所示。

圖11 閾值調(diào)節(jié)Fig. 11 Threshold adjustment

參數(shù)填寫后,再次運(yùn)行程序,就可以查找需要的色塊,綠色部分已經(jīng)被選中。 如圖12 所示。

圖12 綠色色塊顯示Fig. 12 The green block appears

經(jīng)過多次訓(xùn)練以后,可以得到多個(gè)色塊代表的垃圾閾值,統(tǒng)計(jì)這些顏色閾值,通過串口發(fā)送給Arduino 單片機(jī)。 Arduino 單片機(jī)接收到閾值信息后,可以繼續(xù)通過串口通信使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),打開不同的分類垃圾桶。

4.2 Arduino IDE 軟件

Arduino 的編程與C 語言類似,以舵機(jī)運(yùn)行程序?yàn)槔?圖13 為串口通信控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的程序。 當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù),會(huì)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度,打開對(duì)應(yīng)的垃圾桶。

4.3 OpenMV 和Arduino 進(jìn)行通信

OpenMV 與Arduino 通信簡單,通過串口3 方式即可。 當(dāng)OpenMV 觀察到色塊信息時(shí),通過發(fā)送色塊中間坐標(biāo),Arduino 接收信息傳給電腦并進(jìn)行結(jié)果顯示。 所以,在ArduinoMega 的邏輯是：讀softSerial的數(shù)據(jù)(json),解析成數(shù)組,發(fā)送給Serial(電腦)。

圖13 舵機(jī)運(yùn)行程序Fig. 13 Steering gear running program

例如：要尋找黃色色塊,發(fā)送中心坐標(biāo)給Arduino進(jìn)行數(shù)組處理和顯示。 如圖14 所示,在threshold 函數(shù)中填入黃色色塊閾值,可以完成串口通信。

圖14 尋找黃色色塊Fig. 14 Look for yellow patches

當(dāng)Arduino 接收的數(shù)據(jù)等于設(shè)置閾值時(shí),會(huì)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的度數(shù),打開不同垃圾桶。 COM 口顯示發(fā)送過來的數(shù)值。 如圖15 為色塊閾值顯示。

4.4 WiFi 模塊遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過esp8266WiFi 模塊,可以遠(yuǎn)程監(jiān)控垃圾桶當(dāng)前狀態(tài)。 通過設(shè)置標(biāo)志位,當(dāng)垃圾桶裝滿或者發(fā)生故障時(shí),故障燈會(huì)亮,同時(shí)將信息傳給APP。 因?yàn)锳rduino 的串口需要接入Labview 上位機(jī)顯示,所以選用軟串口來連接WiFi 模塊,如圖16 所示。

圖15 舵機(jī)轉(zhuǎn)角Fig. 15 Steering Angle

圖16 WiFi 模塊例程Fig. 16 WiFi module routine

4.5 Labview 顯示與調(diào)試

通過VISA 串口,連接到單片機(jī)得到數(shù)據(jù)顯示,接收的數(shù)據(jù)來自O(shè)penMV 追蹤的圖像信息,圖17 是通過Labview 上位機(jī)顯示的數(shù)據(jù),,可以遠(yuǎn)程監(jiān)控垃圾桶的運(yùn)行情況和狀態(tài)。 通過Labview 觀察OpenMV 串口當(dāng)前傳送數(shù)據(jù)的情況。

圖17 上位機(jī)顯示與調(diào)節(jié)Fig. 17 Upper computer display and adjustment

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)基于OpenMV 垃圾分類的智能垃圾桶系統(tǒng),利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建垃圾分類模型,OpenMV 實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,再通過Labview 顯示和調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)利用智能垃圾桶分類垃圾。

本文對(duì)垃圾分類進(jìn)行了研究,對(duì)智能垃圾桶目前的現(xiàn)狀進(jìn)行了討論；搭建出一種基于OpenMV 的垃圾分類垃圾桶,對(duì)垃圾桶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,設(shè)計(jì)硬件控制電路,通過OpenMV 實(shí)現(xiàn)了圖像的處理,完成了垃圾特征的提取,通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法輸入樣本,完成BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。 最后,利用串口通信方式將系統(tǒng)串聯(lián),實(shí)現(xiàn)了智能分類垃圾桶的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的結(jié)果對(duì)于真正的應(yīng)用有著一定的幫助,但還在具有局限性,用于分類的垃圾樣品少,在擴(kuò)大樣本后,有待于后續(xù)研究。