鐘 維 ，廖先莉

（成都大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，四川 成都 610106）

垃圾處理已成為城市環(huán)境綜合整治中的緊迫問題[1-3]，若對垃圾分類處理不科學(xué)，垃圾的回收利用價(jià)值和垃圾處理效率都會降低[4-6]，因此合理的垃圾分類方法顯得尤為重要[7-10]。隨著嵌入式技術(shù)、圖像處理技術(shù)、自動化技術(shù)等的發(fā)展，智能垃圾分類系統(tǒng)逐漸成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。研究基于嵌入式的垃圾信息自動采集系統(tǒng)是智能垃圾分類系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，主要運(yùn)用在路邊單個(gè)垃圾投放的垃圾桶內(nèi)，當(dāng)垃圾距離垃圾桶蓋小于5 cm時(shí)，垃圾桶蓋自動打開固定時(shí)間然后關(guān)閉，當(dāng)桶內(nèi)檢測到有垃圾投入，自動拍照上傳垃圾圖像到上位機(jī)，為后續(xù)垃圾類型的判別做好準(zhǔn)備工作。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于嵌入式的垃圾信息自動采集系統(tǒng)是智能垃圾分類系統(tǒng)的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)垃圾箱門自動關(guān)閉功能和圖像采集功能，當(dāng)用戶拿著垃圾靠近垃圾箱門的位置，傳感器模塊感應(yīng)到信息后，垃圾箱門會自動打開，保持10 s后自動關(guān)閉，垃圾投入箱體后，圖像采集模塊會拍攝當(dāng)前垃圾圖片，并通過串口傳輸給上位機(jī)軟件。系統(tǒng)主要完成垃圾圖像自動采集功能，為下一步根據(jù)圖像識別垃圾類型奠定基礎(chǔ)，是智能垃圾分類系統(tǒng)的重要組成部分。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式垃圾分類控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括人體感應(yīng)模塊、箱門控制模塊、重量檢測模塊、圖像采集模塊等。當(dāng)用戶靠近垃圾桶后，系統(tǒng)及時(shí)感應(yīng)并自動開關(guān)垃圾桶蓋，對垃圾桶中的物體重量進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)重量發(fā)生變化時(shí)驅(qū)動攝像頭自動進(jìn)行圖片采集。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1）主控模塊。主控模塊選擇STM32系列的STM32F103ZET6單片機(jī)。32位基于ARM 核心的微控制器，主要負(fù)責(zé)收集各個(gè)傳感器模塊的信息，處理判斷后發(fā)送控制指令，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心模塊，與所有功能模塊相連。

2）供電模塊。系統(tǒng)使用12 V鋰電池供電。電源通過DC-DC轉(zhuǎn)換器將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，再通過穩(wěn)壓芯片ASM1117將5 V電壓轉(zhuǎn)換至3.3 V，為控制器和各個(gè)模塊提供電源。設(shè)計(jì)采用雙鋰電池供電，各個(gè)模塊和控制器單獨(dú)電路供電。

3）人體感應(yīng)模塊。人體感應(yīng)模塊選用HC-SR04超聲波傳感器，包括發(fā)射電路、接收電路和放大濾波模塊，外接4個(gè)引腳，分別接電源、接地、接控制端和接收端，與控制器相連，通過超聲信號收發(fā)時(shí)間計(jì)算傳感器模塊與遮蔽物之間的距離。

4）箱門控制模塊。箱門控制模塊主要連同人體感應(yīng)模塊工作，箱門控制模塊選擇SG90舵機(jī)作為執(zhí)行器，通過舵機(jī)轉(zhuǎn)動帶動箱門的打開和關(guān)閉，SG90舵機(jī)外接3個(gè)引腳，分別接電源、接地和連接控制器的引腳，控制器通過輸入信號的脈沖寬度來調(diào)節(jié)舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動方向。

5）重量檢測模塊。重量檢測模塊主要由電阻式變壓力傳感器模塊和HX711 AD模塊組成，外接4個(gè)引腳，分別接地、接電源、接兩處控制器，控制器通過這兩個(gè)引腳，一個(gè)接收來自外部稱重傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，一個(gè)輸出時(shí)鐘信號，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率。重量檢測模塊主要為控制器提供當(dāng)前放入垃圾的重量信息，用來判斷是否有垃圾進(jìn)入垃圾箱，是否需要拍照上傳圖片信息。

6）圖像采集模塊。圖像采集模塊選用帶有FIFO緩沖器的OV7670攝像頭模塊，圖像采集模塊數(shù)據(jù)量很大，若直接使用I/O口讀取數(shù)據(jù)，可能會因?yàn)镮/O口讀取速率不夠而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。所以每一幀由OV7670攝像頭模塊采集的數(shù)據(jù)都會首先存儲在FIFO緩沖器中，控制器需要讀取圖片信息的時(shí)候，直接通過I/O口訪問緩沖器內(nèi)部數(shù)據(jù)，從而不用擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失問題。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用C語言編程，系統(tǒng)軟件編譯環(huán)境運(yùn)用ARM公司推出的Keil μVision5，垃圾信息自動采集系統(tǒng)主要包括箱門自動控制功能、垃圾圖像信息自動采集和傳輸功能。

垃圾信息自動采集系統(tǒng)核心程序流程如圖2所示，首先對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包含系統(tǒng)的時(shí)鐘、GPIO、I/O端口引腳設(shè)置、定時(shí)器設(shè)置、寄存器設(shè)置、變量初始化等。通過計(jì)數(shù)器計(jì)算超聲波傳感Echo引腳電平由高電平變?yōu)榈碗娖降拈g隔時(shí)間，計(jì)算出遮蔽物和垃圾桶間的距離，若距離小于5 cm，STM32向舵機(jī)的信號線輸出PWM信號，舵機(jī)開始正向轉(zhuǎn)動135°，打開垃圾桶蓋，延時(shí)10 s后舵機(jī)反向轉(zhuǎn)動回到初始位置，關(guān)閉垃圾桶。當(dāng)重量傳感器當(dāng)前測量數(shù)值大于上一次數(shù)值時(shí)，向攝像頭發(fā)送圖像采集信號，攝像頭接收到該信號后進(jìn)行圖像采集，控制器將采集到的圖像信息通過串口傳給上位機(jī)。該系統(tǒng)是垃圾分類圖像識別的基礎(chǔ)，是識別圖像的來源。

圖2 主程序流程圖

3.1 人體感應(yīng)模擬

本系統(tǒng)的人體感應(yīng)模塊的具體功能為實(shí)時(shí)感應(yīng)周圍是否有人靠近，通過計(jì)算得出距離值，并返回到主程序中，進(jìn)而判斷是否需要開蓋。人體感應(yīng)模塊程序流程如圖3所示，初始化超聲波模塊，包括GPIO口和定時(shí)器的配置；開始計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)功能，也就是啟動定時(shí)器；開始發(fā)送觸發(fā)信號，然后延時(shí)60 ms并停止發(fā)送觸發(fā)信號；等待Echo引腳變?yōu)楦唠娖?，然后開啟計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)功能，開始計(jì)時(shí)；等待Echo引腳變?yōu)榈碗娖?，然后停止?jì)數(shù)器計(jì)數(shù)功能，結(jié)束計(jì)時(shí)；獲取回波時(shí)間，并計(jì)算出人體和垃圾桶間的距離，得到距離值，判斷距離是否小于5 cm，如果小于5 cm，則發(fā)送開門信號。

圖3 人體感應(yīng)模塊程序流程圖

3.2 箱門控制模塊程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的箱門控制模塊具體功能為帶動垃圾桶蓋的開關(guān)動作，讓用戶可以便捷地將垃圾投放到垃圾桶內(nèi)。箱門控制模塊程序流程如圖4所示，各個(gè)模塊初始化完成，控制器接收到打開箱門的信號后，通過控制PWM信號的脈沖寬度來控制和箱門相連的舵機(jī)模塊的轉(zhuǎn)動角度，最終實(shí)現(xiàn)對箱門打開和關(guān)閉的控制，箱門打開后延時(shí)10 s，自動控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動關(guān)閉箱門。

圖4 箱門控制模塊程序流程圖

3.3 重量檢測模塊程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的重量檢測模塊具體功能為檢測垃圾桶內(nèi)是否有新放入的垃圾，從而判斷是否需要拍照。重量檢測模塊程序流程如圖5所示，首先對所用引腳進(jìn)行了初始化，并設(shè)置了校準(zhǔn)參數(shù)和物體重量閾值，當(dāng)傳感器檢測到有物體放置，便會向控制器發(fā)送信號。

圖5 重量檢測模塊程序流程圖

3.4 圖像采集模塊程序設(shè)計(jì)

圖像采集模塊的功能是對新放入的垃圾進(jìn)行拍照，控制器能夠?qū)⑴恼盏玫降膱D片通過串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)運(yùn)用圖像識別算法得到垃圾類型，這個(gè)模塊是智能垃圾分類的基礎(chǔ)，圖像拍攝質(zhì)量也直接關(guān)系到后面分類的精度。圖像采集模塊程序流程如圖6所示，攝像頭模塊總體初始化，包括SCCB接口的初始配置和攝像頭模塊的相關(guān)寄存器初始值的寫入，通常第一步是進(jìn)行SCCB和OV7670相關(guān)GPIO口初始化，配置模塊外圍相關(guān)的I/O口包括數(shù)據(jù)讀取引腳、讀寫控制引腳和FIFO相關(guān)引腳等，等待OV7670同步信號，存儲圖像數(shù)據(jù)，直到收到第二個(gè)OV7670同步信號，圖像數(shù)據(jù)存儲完成，讀取圖像數(shù)據(jù)，發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。

圖6 圖像采集模塊程序流程圖

4 測試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，將各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，測試的主要內(nèi)容如表1所示。測試過程中使用山外多功能串口調(diào)試助手。該款軟件支持串口數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、顯示和記錄等操作，能夠在Windows系統(tǒng)上運(yùn)行，對于本次測試的圖像采集模塊，山外多功能串口調(diào)試助手還能夠輸出圖片，非常適合本次系統(tǒng)的測試。

表1 主要模塊測試方案

通過對系統(tǒng)各模塊進(jìn)行測試，各模塊連接正常，功能正常，兩個(gè)鋰電池供電延長了系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作72 h，沒有明顯異常。當(dāng)物體靠近人體感應(yīng)模塊，距離小于5 cm，箱門控制模塊舵機(jī)正轉(zhuǎn)，10 s后舵機(jī)反轉(zhuǎn)回到初始位置，模擬垃圾投入垃圾箱，箱門自動打開和自動關(guān)閉功能；將物體放到重量檢測模塊，模擬垃圾放入垃圾箱入口檢測單元，幾秒后圖像采集模塊將垃圾圖片通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)串口調(diào)試助手顯示，實(shí)現(xiàn)垃圾進(jìn)箱后的圖像自動采集功能。

5 結(jié)語

隨著圖像識別技術(shù)的發(fā)展，將圖像識別技術(shù)運(yùn)用在垃圾分類當(dāng)中成為研究熱點(diǎn)。基于嵌入式的垃圾信息自動采集系統(tǒng)作為基于圖像識別的智能垃圾分類系統(tǒng)的重要組成部分，為圖像識別技術(shù)提供垃圾圖像來源。本研究提出的采集系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)方案，各個(gè)模塊經(jīng)過調(diào)試安裝，相互作用，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的箱門自動開閉功能和圖像自動上傳功能，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。