基于STM32的智能垃圾識別分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方開耀，胡家家，吳濡，紀(jì)文龍

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001)

1 引言

隨著社會的進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量也在不斷提升，對于建設(shè)智慧、綠色、環(huán)保型城市的需求日益強(qiáng)烈。而伴隨著高質(zhì)量生活的到來，各種生活垃圾也與日俱增，極大地增加了我國的環(huán)境壓力，垃圾分類成為我國實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、資源循環(huán)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

過去人們對于生活垃圾的處理大多是直接填埋在土壤中或者集中在垃圾站焚燒，這不僅對其中可循環(huán)資源的極大浪費(fèi)，還嚴(yán)重污染了空氣與土壤質(zhì)量。盡管有些城市嘗試推行了垃圾分類，如用不同顏色的垃圾箱進(jìn)行分裝處理，但居民普遍存在垃圾分類意識薄弱，垃圾分類知識掌握不全等問題，導(dǎo)致垃圾分類不徹底[1]，因此效果并不顯著。

為了解決上述的問題，同時(shí)響應(yīng)國家智能化、自動化、數(shù)據(jù)化的發(fā)展，本文提出了一種具有智能識別、自動分揀、語音播報(bào)、數(shù)據(jù)動態(tài)可視化的節(jié)能垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了現(xiàn)有分類垃圾桶結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗能高、識別不精準(zhǔn)且數(shù)據(jù)無法追蹤等缺陷，大大提高了用戶對于垃圾信息的快速準(zhǔn)確采集，為后期進(jìn)行垃圾處理提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)有利于垃圾站等集中處的統(tǒng)籌管理，提高了垃圾處理效率和環(huán)境質(zhì)量的保護(hù)。

2 整體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能垃圾識別分類系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)作為系統(tǒng)控制芯片，整個(gè)系統(tǒng)采用功能模塊化設(shè)計(jì)。由太陽能電池板模塊對系統(tǒng)驅(qū)動進(jìn)行供電，紅外傳感器模塊進(jìn)行垃圾投放識別，攝像機(jī)圖像識別及四個(gè)相應(yīng)舵機(jī)驅(qū)動完成垃圾分類處理，激光測距傳感器配合語音顯示模塊實(shí)現(xiàn)垃圾儲量監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示及播報(bào)，以單片機(jī)作為數(shù)據(jù)收集終端、Wi-Fi模塊作為傳輸器搭建云平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測。該智能識別垃圾分類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能垃圾識別分類系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，對每個(gè)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，由此設(shè)計(jì)的實(shí)物外框機(jī)械裝置圖如圖2所示。

圖2 實(shí)物機(jī)械裝置圖

3.1 紅外感測模塊

本智能垃圾箱的頂端總門屬于紅外線自動門控制，包含熱釋電紅外傳感器及其檢測放大電路兩大部分，其中紅外傳感器是紅外感測的核心。由于人體具有一個(gè)較為恒定的溫度，通常維持溫度在三十七攝氏度,并且可以自發(fā)地向外輻射特定波段10um左右的紅外線。當(dāng)人類在接近垃圾桶內(nèi)一定區(qū)域時(shí),向人體輻射的紅外通過菲涅爾透鏡將被集中到熱釋電紅外傳感器的探測元上懸停[2],而電路中的感應(yīng)器則會發(fā)出電壓信息,但因?yàn)榧t外傳感器通過熱釋電過程所產(chǎn)生的探測信號的電壓非常弱,并且存在著大量雜波干擾,所以需要把該信號先經(jīng)過帶通濾波并進(jìn)行電壓放大后再傳輸?shù)娇刂破饕则?qū)使舵機(jī)開啟垃圾箱頂部,并由此可以利用紅外反射原理進(jìn)行垃圾桶箱頂部箱門的自動合閉工作。該設(shè)計(jì)的紅外自動門子系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 紅外自動門子系統(tǒng)框圖

3.2 視覺識別模塊

目前市場上用于圖像信息采集的攝像頭主要為以CCD 電荷耦合傳感器或CMOS光電傳感器為模組的兩類，由于隨著近些年CMOS 的發(fā)展，現(xiàn)在CMOS 的圖像信息采集已趨于成熟且不遜于CCD，CMOS感光器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可直接產(chǎn)生電流信號，信號讀取簡便，讀出速度快。又由于CCD電荷耦合傳感器大多需多組電源供電[3]，因此耗電量偏高，而CMOS光電傳感器僅需用到一個(gè)電源，在節(jié)能環(huán)保上具有明顯優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)本設(shè)計(jì)需要大規(guī)模生產(chǎn)，在同分辨率下CMOS 制作成本更低，適用于大眾推廣產(chǎn)品，因此，在此采用以CMOS 光電傳感器為模組的攝像頭進(jìn)行信息收集。

本文將生活垃圾分類為四類：可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾及其他類別垃圾。由此四類，構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型，以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)的相關(guān)算法來進(jìn)行圖像識別分類[4]。首先，需進(jìn)行訓(xùn)練模型數(shù)據(jù)裝入，在實(shí)驗(yàn)過程中，從每類垃圾中各隨機(jī)選取3000張垃圾圖像建立數(shù)據(jù)集，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Incep‐tionV3 預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行特征信息提取并作為圖像種類的特征值進(jìn)行存儲，確定各特征值權(quán)重和節(jié)點(diǎn)計(jì)量式;然后,再進(jìn)行對PCA的降維分析；最后，根據(jù)余弦相似度算法,利用從卷積基提取的特征信息對輸入圖像層進(jìn)行劃分，完成圖像的識別分類。

3.3 激光容量檢測模塊

激光容量檢測的原理實(shí)質(zhì)上是激光測距,先由激光二極管對目標(biāo)發(fā)出激光脈沖。到達(dá)目標(biāo)后反射,激光向各方向發(fā)散。部分散射光會反饋回傳感器接收器上,被光學(xué)系統(tǒng)接收后再成像在雪崩光電二極管上。由于雪崩光電二極管是一個(gè)內(nèi)置并帶有放大功能的光感應(yīng)器,所以它能夠測量非常微弱的光信號。通過記錄和處理,由光脈沖產(chǎn)生到返回被接收器所經(jīng)過的時(shí)間,再加上光速則能夠獲得往返距離即為所測距離的二倍。

由于激光是單頻率相干光，具有高方向性、高單色性，可提高接收系統(tǒng)的性噪比，保證測量精度。因此在四種垃圾類別箱內(nèi)分別裝有激光測距傳感器，每次發(fā)生垃圾投放時(shí)，控制通過串口輸送信號進(jìn)行激活激光測量更新數(shù)據(jù)，平時(shí)無垃圾投遞時(shí)保持休眠狀態(tài)。

3.4 太陽能發(fā)電模塊

為響應(yīng)國家號召綠色低碳節(jié)能環(huán)保，采用太陽能電池供電系統(tǒng)為整個(gè)裝置供電，該模塊由太陽能電池板采光、太陽能控制器協(xié)調(diào)、蓄電池儲能三部分構(gòu)成，根據(jù)光伏效應(yīng)使用光-電直接轉(zhuǎn)換方式，太陽能電池板[5]利用光生伏特效應(yīng)可以將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)化為電能，但光伏發(fā)電受太陽光輻射度強(qiáng)弱的影響，電流處于波動狀態(tài)，若將太陽能電池板直接連接負(fù)載兩端會使系統(tǒng)十分不穩(wěn)定，電壓忽高忽低。蓄電池在此系統(tǒng)中就作為一個(gè)功率平衡和儲能裝置，當(dāng)光伏功率大于負(fù)載功率時(shí)，控制器把剩余的能量送往蓄電池中儲蓄，當(dāng)光伏發(fā)電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器將把蓄電池的電能傳至負(fù)載。同樣因?yàn)樾铍姵氐膬δ茏饔?，使天氣即使在陰暗或雷雨天時(shí)，蓄電池中儲蓄的電能依舊能夠支持裝置持續(xù)運(yùn)行。

3.5 顯示播報(bào)模塊

采用SYN6288語音合成芯片[6]快外接揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)語音報(bào)讀作為語音播報(bào)模塊。SYN6288芯片是性價(jià)比極高，聲音效果自然的一種中高端語音合成芯片，通過異步串口(UART)通信方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)文本數(shù)據(jù)到語音數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。這款芯片所具有的優(yōu)點(diǎn)有：內(nèi)部共設(shè)置支持16 級音強(qiáng)調(diào)節(jié)，播放文本的前景響度和播放配樂音強(qiáng)可分開控制，同時(shí)內(nèi)部自帶19 種聲音提示音，23 種和弦提示音，15 種配樂，其詞語語速可由控制標(biāo)志發(fā)送調(diào)節(jié)，詞語語速支持6級調(diào)節(jié)。

考慮到顯示屏需長期置于戶外，會受到強(qiáng)光照射、雨淋等多方面自然因素影響，又鑒于節(jié)能環(huán)保需求，這里選用LED 顯示屏對外顯示垃圾箱內(nèi)垃圾容量。相較于LCD屏，LED屏的本質(zhì)上是大量的微小型發(fā)光二極管的集合，其中每一個(gè)基本像素可看成是一個(gè)或者多個(gè)顏色的單燈組成，其每個(gè)元素反應(yīng)速度是液晶屏的上千倍，在光線較強(qiáng)時(shí)下也可以清晰成像，并且適應(yīng)零下幾十度的低溫，更適用于戶外顯示屏,即使在距離較遠(yuǎn)時(shí)也能看清屏幕顯示，同時(shí)其功耗和LCD相比約為10：1，具有低功耗、可靠性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、使用周期長等特點(diǎn)。

3.6 主控模塊

由于目前stm32 系列芯片的軟件功能程序教程齊全，芯片使用成熟，適用性強(qiáng)，同類處理器中價(jià)格適中，因此本系統(tǒng)中，以STM32F103ZET6 單片機(jī)為核心控制處理器,該芯片是由ARM 公司開發(fā)的基于ARM32位Cortex-M3 CPU 為核心的增強(qiáng)型系列之一,擁有72MHz CPU的速度以及超過1MB的閃存。包括電動機(jī)的控制外圍器材以及CAN 和USB 等全速接口技術(shù)。此嵌入式微控制器在工作時(shí)具有低功耗、低電壓,并結(jié)合了實(shí)時(shí)功能的高性能。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序流程

本設(shè)計(jì)應(yīng)用ARM公司配套的keil uvision5平臺對整個(gè)系統(tǒng)的控制程序進(jìn)行編寫，包括系統(tǒng)運(yùn)行的主程序、電機(jī)驅(qū)動程序、舵機(jī)控制程序、語音播報(bào)及顯示程序等功能模塊子程序，實(shí)現(xiàn)了將智能垃圾識別分類系統(tǒng)的功能模塊化操作，使系統(tǒng)整體架構(gòu)清晰，降低了程序耦合性，方便模塊化功能調(diào)試與升級，可維護(hù)性高。系統(tǒng)整體流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

首先，系統(tǒng)初始化后，通過紅外傳感檢測到有人靠近，當(dāng)距離不大于設(shè)定的閾值時(shí)，垃圾箱頂部總門將自動開啟；攝像頭對垃圾圖像數(shù)據(jù)采集，識別所放的垃圾種類，通過串口將識別結(jié)果傳送至STM32 控制器[7]，由單片機(jī)發(fā)送指令控制電機(jī)和舵機(jī)運(yùn)行投放至相應(yīng)種類的垃圾箱，語音播報(bào)所投放的垃圾種類，同時(shí)各箱內(nèi)所配相應(yīng)激光傳感器將會對該箱進(jìn)行儲量檢測，通過串口將檢測信息傳送至控制器中，經(jīng)計(jì)算若剩余儲量小于10%，主控芯片將會啟動語音報(bào)警，儲量信息更新后上傳至大數(shù)據(jù)云平臺供參考，并在桶外延的LED 顯示器實(shí)時(shí)顯示，大約延時(shí)2.5 秒后舵機(jī)會關(guān)閉垃圾箱頂端總項(xiàng)箱門，至此結(jié)束一次垃圾投放分類過程。

4.2 大數(shù)據(jù)云平臺監(jiān)測系統(tǒng)

云平臺通常也指云計(jì)算平臺,是指通過硬件和軟件資源的綜合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺,能夠進(jìn)行大數(shù)據(jù)存儲與運(yùn)算業(yè)務(wù)。一般按照主要用途可以分成以大數(shù)據(jù)儲存為核心的儲存型,以數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算分析為主的運(yùn)算型,和二者并存的綜合型云平臺。云計(jì)算的應(yīng)用解決了電腦硬件配置不足、數(shù)據(jù)太多占用硬盤空間大等問題。因?yàn)樗袛?shù)據(jù)都在云端平臺中能夠安全寄存,不會出現(xiàn)因個(gè)人PC端錯(cuò)誤等原因造成的數(shù)據(jù)損失情況，所以這里主要通過存儲型的云端平臺,對四類垃圾容量分別進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)檢測。

在目前網(wǎng)絡(luò)寬帶普遍下，采用ESP8266Wi-Fi模塊連接就近的公共網(wǎng)絡(luò)或接入室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信號，Wi-Fi模塊在根據(jù)選用多協(xié)議接入中國電信的Ctwing物聯(lián)網(wǎng)云平臺，將STM32所接收到的四類垃圾容量反饋信息通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)上傳。在云平臺端，查看四種類別垃圾容量的實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)了垃圾容量信息的遠(yuǎn)距離監(jiān)測和快捷處理。其大數(shù)據(jù)云平臺構(gòu)建流程圖如圖5所示。

圖5 大數(shù)據(jù)云平臺構(gòu)建流程圖

5 總結(jié)與展望

隨著我國全面建成小康社會，向下一個(gè)百年目標(biāo)奮進(jìn)中，構(gòu)建清潔、低碳、環(huán)保、綠色的美麗社會是必然趨勢，而實(shí)現(xiàn)垃圾分類的全覆蓋是發(fā)展中不可缺少的關(guān)鍵因素之一。

本文介紹了一種適用于當(dāng)下智能自動化的智能垃圾識別分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。以STM32F103ZET6 作為控制中心，太陽能電池系統(tǒng)作為供電電源，基于用戶識別開箱、垃圾識別分揀、垃圾儲量檢測、反饋顯示及語音播報(bào)和云價(jià)算大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測等五大基本功能組合。用戶靠近垃圾箱一定距離時(shí)將觸發(fā)位于箱頂?shù)募t外傳感器，使得步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動頂端箱門自動開啟，垃圾進(jìn)入暫存區(qū)，由攝像頭進(jìn)行圖像識別自動分析垃圾種類上傳至處理器，舵機(jī)將投放了垃圾至相應(yīng)類別垃圾箱內(nèi)，同時(shí)語音播報(bào)垃圾種類，激光傳感器檢測該箱剩余容量并更新數(shù)據(jù)至箱外相應(yīng)的顯示器上顯示。當(dāng)該類型垃圾箱內(nèi)已接近90%及以上時(shí)，垃圾箱將會進(jìn)行語音報(bào)警，提示清理箱內(nèi)垃圾。此外，通過云平臺大數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解垃圾箱內(nèi)信息，以便清潔工人更高效地進(jìn)行垃圾管理處理。

隨著本設(shè)計(jì)的投入實(shí)踐與推廣，將極大提高居民垃圾分類的知識和意識，促進(jìn)城鄉(xiāng)垃圾分類的普及化，節(jié)約相關(guān)工作者對垃圾處理的時(shí)間和成本，增強(qiáng)廢棄物品的循環(huán)利用率，同時(shí)也可減少對環(huán)境的污染影響，具有極大的實(shí)用和推廣價(jià)值。