姚展YAO Zhan；郗艷華XI Yan-hua

（咸陽(yáng)師范學(xué)院，咸陽(yáng) 712000）

1 背景及研究現(xiàn)狀

隨著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，而且城市化進(jìn)程加速，“垃圾圍城”成了日益突出的現(xiàn)象，垃圾所含有有害物質(zhì)，會(huì)直接破壞當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境。垃圾被分類后，被送到相應(yīng)的垃圾處理廠，以便進(jìn)一步的處理[1]。這樣可以節(jié)省土地，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊資源的進(jìn)一步應(yīng)用。顯然，垃圾分類處理可以使得社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三方面獲得相應(yīng)的效益。研究一款智能垃圾分類系統(tǒng)有一定的社會(huì)價(jià)值。

當(dāng)前智能垃圾分類箱按照不同產(chǎn)品的類型[2，3]，可分為如下幾個(gè)類別：視頻識(shí)別垃圾、二維碼識(shí)別垃圾、其他。

Intuitive AI公司設(shè)計(jì)了一款名叫Oscar的垃圾分類系統(tǒng)。它的基本運(yùn)轉(zhuǎn)方式是：利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)垃圾進(jìn)行分類，該系統(tǒng)通過(guò)成千上萬(wàn)的垃圾圖片分析學(xué)習(xí)，已經(jīng)可以將垃圾分成數(shù)百個(gè)類別，而且仍然接受訓(xùn)練，從部分可見(jiàn)的視覺(jué)線索識(shí)別垃圾，進(jìn)而進(jìn)行分類。

深圳市德立信環(huán)境工程有限公司則更加專注于運(yùn)用人工智能、云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)的研究[4]，經(jīng)過(guò)其測(cè)試與校準(zhǔn)后，并搭載百度AI人臉識(shí)別系統(tǒng)的德立信智能垃圾分類設(shè)備不需要復(fù)雜的手機(jī)掃碼、驗(yàn)證碼、微信等傳統(tǒng)登陸模式登陸，只需通過(guò)設(shè)備屏幕的人臉設(shè)別，即可完成登錄、投放等操作

宿遷皓玗交通設(shè)施有限公司的智能垃圾箱主要功能有垃圾自動(dòng)稱重、自動(dòng)累計(jì)積分、掃碼、刷卡、人臉識(shí)別、電動(dòng)開(kāi)門、分類語(yǔ)音提示、垃圾自動(dòng)稱重、GPS定位、滿桶檢測(cè)報(bào)警等。

國(guó)內(nèi)的眾多垃圾分類箱，雖然應(yīng)用范圍廣泛，設(shè)計(jì)也兼具很多新意，但是一定程度上仍然是人為參與操作，尚未實(shí)現(xiàn)解決垃圾的智能分類。

2 垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的智能垃圾分類系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)所投入的垃圾進(jìn)行識(shí)別分類，進(jìn)而投入所屬箱內(nèi)，由于本設(shè)計(jì)是對(duì)垃圾進(jìn)行分類，因此需要采集所投入箱中的物品，故而需要有輸入模塊；為了更好的對(duì)其所投入箱中的物品進(jìn)行進(jìn)一步的分析、識(shí)別、檢測(cè)其主要參數(shù)，因此需要數(shù)據(jù)處理模塊；除此之外，還應(yīng)該專門有一個(gè)負(fù)責(zé)對(duì)其進(jìn)行最終分類，并把它放入指定目標(biāo)垃圾箱中的裝置，因此系統(tǒng)需要一個(gè)輸出模塊以專門負(fù)責(zé)傳送分類；為了滿足以上所有要求，系統(tǒng)還需要一個(gè)主控模塊來(lái)對(duì)其他模塊進(jìn)行管理及協(xié)調(diào)功能模塊間的工作。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

對(duì)于以單片機(jī)為核心控制芯片的垃圾分離系統(tǒng)，其基本目標(biāo)是對(duì)于所驅(qū)動(dòng)的攝像頭進(jìn)行拍攝所取得的圖片信息傳送給數(shù)據(jù)處理芯片進(jìn)行處理。需要有對(duì)投入物品進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝的輸入電路、可以處理圖片信息的數(shù)據(jù)處理電路、以及最終實(shí)現(xiàn)分類的輸出電路。

2.1.1 數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)處理電路主要采用的是ARM芯片作為數(shù)據(jù)處理芯片，將ARM芯片的第40引腳片選引腳端口接入主控芯片的P3.7讀信號(hào)引腳端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與傳送，當(dāng)改端口輸出為高電平時(shí)，則選中改芯片，由P1.0~P1.7端口傳送數(shù)據(jù)。

2.1.2 顯示電路

顯示電路主要是由LCD1602顯示屏和10k排阻構(gòu)成，顯示器的第1引腳VSS接入5V電源，使能端置為高電平，將讀寫引腳與主控芯片的第16引腳相連接，進(jìn)行讀寫輸入控制以顯示目標(biāo)參數(shù)，并將D0~D7的8個(gè)數(shù)據(jù)引腳端口經(jīng)由10k歐上拉電阻連接至主控芯片引腳的P2.0~P2.7端口，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。電路如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

輸入模塊中需要有程序支持，其中的圖像拍攝需要對(duì)攝像頭進(jìn)行初始化，故軟件設(shè)計(jì)中需要有初始化程序；主控模塊需要有程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制以管理各個(gè)模塊，因此軟件設(shè)計(jì)中需要有主控程序；數(shù)據(jù)處理芯片中需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此數(shù)據(jù)處理芯片中需要有數(shù)據(jù)處理程序；輸出模塊要對(duì)垃圾進(jìn)行分類是對(duì)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)，因此軟件設(shè)計(jì)中需要有輸出程序段。

2.2.1 初始化子程序

本設(shè)計(jì)采用的是OV7725攝像頭作為該系統(tǒng)的輸入模塊，主要功能是對(duì)各數(shù)據(jù)初始化；各個(gè)接口初始化；攝像頭初始化；作用是對(duì)所放入的物品進(jìn)行拍照取樣，因此需要對(duì)其進(jìn)行程序編寫。首先對(duì)攝像頭OV7725進(jìn)行初始化，其次是配置其驅(qū)動(dòng)程序，還應(yīng)該將重量傳感器、溫度傳感器等一系列傳感器設(shè)置為初始狀態(tài)，最后在接受到單片機(jī)的重量傳感信息后進(jìn)行接受并傳輸數(shù)據(jù)。該程序的編寫核心部分是攝像頭及其一系列傳感器的初始化以及攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序的配置。

2.2.2 輸入子程序

當(dāng)OV7725攝像頭設(shè)置完成后，應(yīng)該調(diào)用主程序進(jìn)行掃描判斷是否有物品投入垃圾箱內(nèi)，如果有，則啟用攝像頭進(jìn)行拍照，并將拍照所得結(jié)果傳輸給主控芯片，并由其傳送給數(shù)據(jù)處理芯片，以完成下一步的分析。

如果由重量傳感器檢測(cè)所得的數(shù)值不為0的時(shí)候，則啟動(dòng)連接在P0.0引腳的攝像頭，進(jìn)行對(duì)物品攝像，并將所得數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在message中，進(jìn)而將message通過(guò)攝像頭的第11引腳由P0.1引腳口傳送回主控芯片。其中核心語(yǔ)句如下所示：

2.2.3 數(shù)據(jù)處理子程序

當(dāng)由主控芯片傳送過(guò)來(lái)所捕獲的物品圖像時(shí)，數(shù)據(jù)處理芯片開(kāi)始對(duì)其信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，圖像的彩色邊緣檢測(cè)，圖像的分割，圖像的色彩特征及其形狀特征提取，圖像的分類識(shí)別，可以使得機(jī)器具有一定的視覺(jué)功能，能夠認(rèn)識(shí)“記憶”中的水果。

①邊緣檢測(cè)。邊緣是圖像的一個(gè)基本特征，攜帶了圖像中的大量信息，邊緣檢測(cè)不僅能得到關(guān)于邊界的有用的結(jié)構(gòu)信息，而且還能極大地減少要處理的數(shù)據(jù)，很多圖像處理和識(shí)別算法都以邊緣檢測(cè)為重要基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)采用的算子是索貝爾（Sobel）算子它是效果最好的一種，可以直接應(yīng)用于彩色圖像的各個(gè)顏色分量進(jìn)行檢測(cè)，可分別對(duì)紅，綠，藍(lán)三個(gè)顏色通道（或其他顏色空間分量）執(zhí)行邊緣檢測(cè)，最后的輸出是這三幅邊緣圖像的合成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

②數(shù)學(xué)形態(tài)處理。圖像經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)后，所獲得的邊緣既不是很連續(xù)也不是很光滑，而且在高細(xì)節(jié)區(qū)存在瑣細(xì)邊緣，難以形成一個(gè)大區(qū)域，因此需要進(jìn)行形態(tài)的處理，在本設(shè)計(jì)中構(gòu)造了邊緣元素進(jìn)行膨脹處理，以使得這些噪點(diǎn)消失，為此，在0°以及90°的方向上分別構(gòu)造。

Se0為在水平方向上的構(gòu)造函數(shù)，Se90為在垂直方向上所構(gòu)造的膨脹處理函數(shù)。分別在水平和垂直方向上構(gòu)造函數(shù)并進(jìn)行處理，可對(duì)圖像有完整的表述。核心語(yǔ)句代碼如下所示：

③填充處理。在數(shù)學(xué)形態(tài)處理完成后，圖像有了完整而又連續(xù)的邊緣，得到了很好的描述，但是其內(nèi)部還依然存在著許多孔洞，可以通過(guò)填充操作來(lái)使這些空洞消失，以便完成后續(xù)操作。

本設(shè)計(jì)中將已經(jīng)進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)處理的BW2圖像采用函數(shù)imfill進(jìn)行孔洞填充，其中，holes為填充參數(shù)內(nèi)容，這種格式的調(diào)用可以填充所有的空洞區(qū)域，然后將填充的結(jié)果返還給BW3，并將其顯示。其核心代碼段如下所示：

BW3=imfill（BW2，'holes'）；

figure，imshow（BW3）；title（'填充處理'）

④標(biāo)記提取。在填充處理后，為了使得更加清楚的觀察到分割所得到的結(jié)果，則對(duì)其上面的連通區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，將不同的區(qū)域用不同的顏色表示，并且統(tǒng)計(jì)上一步標(biāo)記圖像中的連通域的面積分布。

接下來(lái)則就是找到最大連通區(qū)域的標(biāo)號(hào)，并將標(biāo)記為最大的連通區(qū)域置為0。在黑白二值圖像中，可將連續(xù)且值為1的像素集合提取出來(lái)，由于上述操作已經(jīng)可以將不同區(qū)域以不同標(biāo)記，則可以得到不同坐標(biāo)，進(jìn)而提取出指定的連續(xù)區(qū)域范圍，因此，可以選擇指定的對(duì)象。核心代碼如下所示：

BW3（find（L==ind））=0；%將其區(qū)域置為0

⑤特征提取。所獲得圖像在經(jīng)過(guò)邊緣提取和圖像分割操作后，就會(huì)得到邊緣和區(qū)域，也就是獲得了物體的形狀?？梢杂脕?lái)表示形狀的特征包括幾何特征和矩特征，在這里統(tǒng)計(jì)了諸多變量，相關(guān)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在states表格中，所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)包括面積、重心、偏心率、周長(zhǎng)、細(xì)度比例等其核心代碼語(yǔ)句如下所示：

2.3 主程序

主程序是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的核心模塊，當(dāng)程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先對(duì)于相關(guān)設(shè)備進(jìn)行初始化，設(shè)置攝像頭、重量傳感器、溫度傳感器等一系列傳感器為初始狀態(tài)，對(duì)所放入的物品進(jìn)行拍照取樣，其次還將由重量感應(yīng)器對(duì)目標(biāo)物品進(jìn)行稱重，以便于輔助分類，以判斷其分類桶中是否被裝滿。由濕度傳感器則用于判斷應(yīng)為干垃圾還是濕垃圾，進(jìn)而進(jìn)行精確分類。最后由溫度傳感器是以用于當(dāng)垃圾投入箱中時(shí)，判斷其所放入物品的核心溫度以便于分類。

當(dāng)攝像頭采集到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理芯片開(kāi)始對(duì)其信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，圖像的彩色邊緣檢測(cè)，圖像的分割，圖像的色彩特征及其形狀特征提取，圖像的分類識(shí)別，可以使得機(jī)器具有一定的視覺(jué)功能，能夠認(rèn)識(shí)“記憶”中的水果。所獲得圖像在經(jīng)過(guò)邊緣提取和圖像分割操作后，就會(huì)得到邊緣和區(qū)域，也就是獲得了物體的形狀。用來(lái)表示形狀的特征包括幾何特征和矩特征等相關(guān)數(shù)據(jù)，與儲(chǔ)存在states表格中，所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)包括面積、重心、偏心率、周長(zhǎng)、細(xì)度比例等標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行對(duì)比，判斷出物品是否具有回收價(jià)值，如果物品具備回收價(jià)值，則由相應(yīng)部件完成回收，進(jìn)行二次利用。如果物品不具備回收價(jià)值，則由相應(yīng)部件完成分類處理。

主程序的主要功能是傳送數(shù)據(jù)項(xiàng)；控制整個(gè)系統(tǒng)邏輯運(yùn)轉(zhuǎn)；并完成最后分類。如圖4所示。

3 結(jié)果分析

當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，顯示模塊上的顯示屏處于點(diǎn)亮狀態(tài)；第一行所顯示SE為所放入物品的所屬種類，應(yīng)該將其放入那一塊垃圾分類箱中，第二行顯示的RE為該物品的可回收狀態(tài)即放入物品的損壞程度，依此來(lái)進(jìn)行判斷是否可以對(duì)其進(jìn)行二次的回收利用，此處由于屏幕顯示器的大小限制，因此只顯示該兩個(gè)部分。

當(dāng)腐爛程度高于所設(shè)標(biāo)準(zhǔn)閾值時(shí)，則會(huì)對(duì)其進(jìn)行丟棄處理，如圖5所示。

當(dāng)其損壞程度較低時(shí)，則會(huì)將其進(jìn)行回收，如圖6所示。

4 結(jié)論

垃圾分類和人們的生活息息相關(guān)，不管是在日常生活中還是工業(yè)、環(huán)境、生態(tài)等領(lǐng)域都需要對(duì)垃圾分類進(jìn)行控制，因此，對(duì)于智能垃圾分類方面的研究具有一定的價(jià)值。

本設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)為主控芯片，以ARM為數(shù)字處理芯片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的智能識(shí)別以及分類。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)具有垃圾智能識(shí)別以及分類功能，對(duì)所投入的物品進(jìn)行智能識(shí)別并完成最終分類。本系統(tǒng)可以廣泛適用于家庭、常規(guī)的工作場(chǎng)合以及儲(chǔ)存庫(kù)房等地方。