基于物聯(lián)網(wǎng)智能管理模式的垃圾分類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭金明

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

近年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到快速發(fā)展，在各行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，在環(huán)保領(lǐng)域，該技術(shù)受多種因素的限制，適用于城市發(fā)展的垃圾分類(lèi)系統(tǒng)相對(duì)匱乏。將垃圾分類(lèi)工作與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生活垃圾的智能分類(lèi)，是城市發(fā)展的必然途徑。因此，開(kāi)發(fā)智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)對(duì)城市發(fā)展和社會(huì)發(fā)展具有重要意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能管理模式的垃圾分類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

垃圾分類(lèi)系統(tǒng)主要安裝在垃圾箱，可以實(shí)現(xiàn)紙板、塑料瓶、金屬制品、紙張以及玻璃等物品的識(shí)別和上報(bào)。此外，系統(tǒng)可以通過(guò)識(shí)別模塊、指導(dǎo)系統(tǒng)和通信裝置等，引導(dǎo)使用者正確分類(lèi)垃圾，并將設(shè)備信息上傳至服務(wù)器終端。

1.1 垃圾分類(lèi)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

垃圾分類(lèi)系統(tǒng)由主控板、識(shí)別單元、上位機(jī)軟件、環(huán)境檢測(cè)單元、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）通信模塊以及指導(dǎo)系統(tǒng)等組成。運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)主要通過(guò)目標(biāo)識(shí)別單元收集垃圾信息，然后利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)將采樣數(shù)據(jù)輸入至主控板。

主控板接收到垃圾識(shí)別信息后，利用環(huán)境傳感器檢測(cè)垃圾溫度、氣壓、濕度和環(huán)境有害氣體等信息，再通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將采集信息上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，以便為垃圾回收管理提供參考[1]。

1.2 NB-IoT系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括NBIoT設(shè)備終端和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)與管理服務(wù)器和管理平臺(tái)連接。

NB-IoT設(shè)備終端采用微控制器進(jìn)行操作，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。微控制器主要通過(guò)NB-IoT通信模塊與服務(wù)器進(jìn)行通信。此外，NB-IoT設(shè)備終端也可以通過(guò)ZigBee、Wi-Fi以及藍(lán)牙等短距離物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的通信。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信包括NB-IoT基站、服務(wù)器以及核心網(wǎng)，其中NB-IoT基站主要負(fù)責(zé)用戶NB-IoT設(shè)備終端和核心網(wǎng)的通信與控制功能。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍是15 km，可以滿足大部分用戶的使用需求。NB-IoT核心網(wǎng)具備N(xiāo)B-IoT服務(wù)和基站的數(shù)據(jù)交互功能。在通信網(wǎng)絡(luò)傳輸控制和優(yōu)化方面，采用網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）傳輸和非IP傳輸兩種方式。IP傳輸方式具有部署成本低的優(yōu)點(diǎn)。非IP傳輸方式具有安全性高、功耗低以及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

圖1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議和限制性應(yīng)用協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。限制性應(yīng)用協(xié)議可以滿足機(jī)器對(duì)機(jī)器（Machine-To-Machine，M2M）設(shè)備和物理網(wǎng)低功耗的需求。與其他協(xié)議相比，該協(xié)議解決了超文本傳輸協(xié) 議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）在 部 分場(chǎng)景無(wú)法通信的問(wèn)題，通過(guò)POST和GET等方法可以在服務(wù)器執(zhí)行刪除、獲取以及發(fā)送信息的功能。用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議模型如圖2所示。用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議數(shù)據(jù)上傳流程為“創(chuàng)建客戶端socket套字—獲取服務(wù)器IP端口號(hào)和地址—客戶端向服務(wù)器發(fā)送報(bào)文信息—服務(wù)器接收協(xié)議并進(jìn)行解析—數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后斷開(kāi)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議”。用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議數(shù)據(jù)下行流程為“創(chuàng)建服務(wù)器socket套接字—獲取客戶端IP端口號(hào)和地址—發(fā)動(dòng)報(bào)文信息—客戶端接收信息并解析”[3]。

2 垃圾分類(lèi)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

垃圾分類(lèi)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，與集中式結(jié)構(gòu)相比，各部件相對(duì)獨(dú)立，可以避免設(shè)備間的相互干擾，減輕系統(tǒng)控制器的工作負(fù)擔(dān)。垃圾分類(lèi)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。垃圾分類(lèi)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括目標(biāo)識(shí)別單元和主控板兩部分，兩者采用串口通信[4]。

圖2 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議模型

垃圾分類(lèi)系統(tǒng)主控板由NB-IoT通信單元、指導(dǎo)系統(tǒng)、供電電路、微控制器以及環(huán)境監(jiān)測(cè)電路等部件組成。主控制板主要負(fù)責(zé)分析環(huán)境信息和物體信息，判斷物體種類(lèi)和環(huán)境指標(biāo)是否符合設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，利用NB-IoT單元將處理后的信息傳輸至云服務(wù)器和垃圾分類(lèi)系統(tǒng)液晶顯示屏。

目標(biāo)識(shí)別單元由攝像頭和分類(lèi)模型組成。攝像頭和分類(lèi)模型單元之間采用通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）連接。

2.2 主控板硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 主控制芯片選型

主控板芯片是垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的核心部件。本系統(tǒng)主控制器采用STM32F103ZET6芯片，芯片內(nèi)置8 MHz晶振，最高主頻率為72 MHz，支持SWD單線調(diào)試。此外，該芯片具備低功耗工作模式，可以降低垃圾分類(lèi)系統(tǒng)在待機(jī)、停機(jī)和睡眠狀態(tài)的工作頻率[5]。

2.2.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路主要由NB-IoT通信單元、微控制器和環(huán)境檢測(cè)單元等模塊組成。本系統(tǒng)微控制器采用3.3 V電壓，NB-IoT通信單元采用5 V電壓。為滿足不同功能模塊的供電需求，本文系統(tǒng)采用MIC5225穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換電平，如圖3所示。MIC5225包括NC懸空接口、OUT電平輸出接口、EN使能接口、GND接地接口以及IN輸入接口5個(gè)引腳。C5～C8為濾波電容，可以濾除電源電路運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲。

2.2.3 串口通信設(shè)計(jì)

串口電路的設(shè)計(jì)和使用較為便捷。本系統(tǒng)主要采用串口進(jìn)行硬件調(diào)試和程序下載。為簡(jiǎn)化電路設(shè)備，系統(tǒng)采用聯(lián)合測(cè)試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）調(diào)試器對(duì)微控制器直接進(jìn)行調(diào)試。JTAG調(diào)試信號(hào)通過(guò)電阻與微控制器進(jìn)行連接。系統(tǒng)電路采用CH340G USB串口實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)一步提高程序下載效率。

圖3 電源電路圖

2.2.4 NB-IoT通信單元電路設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)的主流NB-IoT模塊包括利爾達(dá)NB03、中移物聯(lián)M5310和移遠(yuǎn)BC35共3種。其中，M5310和BC35的功耗低于NB03，而M5310和BC35兩者的功耗基本相近，因此本系統(tǒng)選擇BC35作為通信模塊。

3 垃圾分類(lèi)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控板軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接入電源后，需要對(duì)主控板的外接設(shè)備如系統(tǒng)時(shí)鐘、I2C總線、液晶屏、USART以及定時(shí)器等進(jìn)行初始化，以保證系統(tǒng)各個(gè)模塊可以正常運(yùn)行。系統(tǒng)初始化操作內(nèi)容包括重置I2C工作參數(shù)，配置時(shí)鐘速度、工作模式以及地址等參數(shù)。

除了重新配置設(shè)備運(yùn)行參數(shù)外，還需要確定程序運(yùn)行起點(diǎn)，進(jìn)行裝載定時(shí)器等賦值操作。當(dāng)主控板軟件程序賦值和初始化操作結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入主程序，并在液晶顯示屏顯示氣敏響應(yīng)、溫濕度以及圖片等信息，實(shí)現(xiàn)垃圾信息的顯示、上報(bào)和采集功能。

3.2 指導(dǎo)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

指導(dǎo)程序的作用是引導(dǎo)用戶正確使用垃圾分類(lèi)系統(tǒng)功能，包括識(shí)別垃圾種類(lèi)和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)等。指導(dǎo)系統(tǒng)有界面設(shè)計(jì)、垃圾投遞、NB-IoT配置和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)等功能。用戶在進(jìn)入指導(dǎo)系統(tǒng)主界面后，可以通過(guò)操作屏幕按鍵選擇環(huán)境監(jiān)測(cè)、垃圾投遞和NB配置3種功能。系統(tǒng)根據(jù)用戶操作將執(zhí)行結(jié)果直觀顯示在屏幕上。

3.3 目標(biāo)識(shí)別單元軟件設(shè)計(jì)

為提高垃圾識(shí)別算法的效率，系統(tǒng)將集成算法與深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行了結(jié)合。首先，在垃圾識(shí)別過(guò)程中收集垃圾圖形的信息。其次，利用深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練識(shí)別模型。最后，將待識(shí)別物體光學(xué)圖片傳輸至訓(xùn)練完成的識(shí)別模型，利用集成算法輸出識(shí)別結(jié)果。

目標(biāo)識(shí)別單元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練過(guò)程中會(huì)占用大量硬件資源。為保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的高效性，系統(tǒng)硬件計(jì)算單元采用Intel(R) Xeon(R) E5-2660@2.2GHz CPU，圖形處理器采用NVIDIA GEFORCE GTX1060 GPU，內(nèi)存設(shè)置為120 GB，以滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練對(duì)硬件空間的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。環(huán)境信息采集方面結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了氣敏電阻和溫濕度的采集。目標(biāo)識(shí)別單元方面采用集成算法與深度學(xué)習(xí)算法對(duì)識(shí)別模型進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)一步提高了垃圾分類(lèi)識(shí)別的效率?；谟布A(chǔ)設(shè)計(jì)了軟件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了垃圾分類(lèi)信息和環(huán)境數(shù)據(jù)信息的上傳與顯示。在系統(tǒng)服務(wù)器端方面，利用Java完成了對(duì)Web客戶端、UDP信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。