多目標(biāo)分類(lèi)智能垃圾箱電控設(shè)計(jì)研究

程軍，曹鑫楠，王中昊，胡嘉格，袁丹

（重慶交通大學(xué)，重慶，400074）

0 引言

隨著提倡環(huán)保的呼聲日益提高，社會(huì)對(duì)垃圾分類(lèi)越來(lái)越重視，不少城市實(shí)行了垃圾強(qiáng)制分類(lèi)措施。但隨之而來(lái)的是居民對(duì)垃圾種類(lèi)的認(rèn)識(shí)不夠清楚的問(wèn)題。近年來(lái)，智能垃圾箱的使用受到廣泛關(guān)注，它可以在一定程度上代替人工，提高垃圾分類(lèi)準(zhǔn)確率。本裝置所具有的示教功能可以幫助提高居民垃圾分類(lèi)意識(shí)，從源頭上解決現(xiàn)實(shí)生活中垃圾分類(lèi)準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。城市生活垃圾分類(lèi)收集已經(jīng)是大勢(shì)所趨、不能回避。為此設(shè)計(jì)了一種具有多目標(biāo)分類(lèi)和示教功能的智能垃圾箱。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置是通過(guò)Linux嵌入式系統(tǒng)為核心的多目標(biāo)分類(lèi)智能垃圾箱。首先垃圾箱的圖像模塊通過(guò)調(diào)用OpenCV算法尋找圖像中目標(biāo)垃圾的數(shù)量和位置，分別傳入模板識(shí)別和InceptionResNet V2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，最終可得出目標(biāo)物所在的位置和種類(lèi)。其次，通過(guò)語(yǔ)音模塊、顯示模塊播報(bào)目標(biāo)物體所屬垃圾種類(lèi)和顯示中英文名稱(chēng)，然后通過(guò)控制模塊驅(qū)動(dòng)各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)將目標(biāo)垃圾投入對(duì)應(yīng)容納桶中，最后通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器對(duì)桶內(nèi)剩余容量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電源模塊分為包括電池降壓模塊和鋰聚合物電池。電池提供整個(gè)裝置所需電源，電池降壓模塊準(zhǔn)確地輸送各個(gè)模塊所需電流，保證各個(gè)模塊供電正常，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 圖像模塊

圖2 圖像模塊主控芯片電路原理圖

圖3 控制模塊電路原理圖

圖像模塊采用NVIDIA Jetson Nano作為主控芯片，其內(nèi)部搭載四核ARM CORTEX-A57處理器、128核MAXWELL GPU和4GB LPDDR內(nèi)存，能夠?yàn)檠b置帶來(lái)足夠的AI算力，足以滿足本裝置圖像處理的性能需求。同時(shí)選用的Jetson開(kāi)發(fā)板具有四個(gè)USB3.0和一個(gè)USB2.0 Micro-B接口，具有豐富的外設(shè)接口，因此帶來(lái)了較高的可拓展性。

攝像頭采用SCCB總線和主控芯片進(jìn)行通信。主控芯片通過(guò)串口與控制模塊連接和通信。

圖4 滿載檢測(cè)模塊電路原理圖

2.2 控制模塊

控制模塊主要由STM32實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)組成，采用基于ARM Cortex-M內(nèi)核的STM32F103C8T6微控制器。該STM32微控制器使用MircoUSB接口供電和連入相應(yīng)的電路，方便USB設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

圖像模塊經(jīng)過(guò)綜合處理后將控制命令發(fā)回STM32實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)模塊以此實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)垃圾的分類(lèi)。

2.3 滿載檢測(cè)模塊

本裝置對(duì)應(yīng)現(xiàn)行城市垃圾分類(lèi)制度，設(shè)置有四種包括干垃圾、濕垃圾、有害垃圾和可回收垃圾的容納桶。上述容納桶頂部均設(shè)有超聲波測(cè)距傳感器，選用HC-SR04超聲波模塊，其采用IO觸發(fā)測(cè)距，具有性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確的優(yōu)點(diǎn)。

所述超聲波測(cè)距傳感器可對(duì)上述容納桶進(jìn)行滿容量檢測(cè)，若達(dá)到滿容量的75%，則通過(guò)與英偉達(dá)Jetson開(kāi)發(fā)板電氣連接的蜂鳴器和LCD顯示屏發(fā)出聲光警。

2.4 顯示模塊

顯示模塊包括USB電容觸摸屏和LCD顯示屏，用戶可通過(guò)電容觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)智能垃圾箱模式和功能的選擇，通過(guò)顯示屏查看攝像頭畫(huà)面、垃圾分類(lèi)結(jié)果、電池剩余電量、容納桶的剩余容量等。LCD屏幕采用常規(guī)LCD總線和Jetson開(kāi)發(fā)板進(jìn)行通信，Jetson開(kāi)發(fā)板將實(shí)時(shí)處理后的圖像展示在LCD屏幕上，并將信息反饋給用戶。

圖5 顯示模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)啟后，首先對(duì)程序進(jìn)行初始化。將單個(gè)或多個(gè)目標(biāo)垃圾從投放口投入，垃圾停留在輸送帶機(jī)構(gòu)上，位于識(shí)別區(qū)頂部的攝像頭對(duì)垃圾進(jìn)行拍攝，獲得多張垃圾圖像，英偉達(dá)Jetson開(kāi)發(fā)板接受垃圾圖像并進(jìn)行特征學(xué)習(xí)，并將其運(yùn)算結(jié)果發(fā)送到STM32實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。通過(guò)語(yǔ)音模塊播報(bào)目標(biāo)垃圾種類(lèi)，通過(guò)顯示模塊顯示目標(biāo)垃圾的中英文翻譯，并可通過(guò)點(diǎn)擊顯示屏進(jìn)行英文跟讀，當(dāng)智能垃圾箱處于等待垃圾投放狀態(tài)時(shí)將循環(huán)播放垃圾分類(lèi)宣傳片，實(shí)現(xiàn)了本裝置的示教作用。

本裝置的圖像識(shí)別方法具體實(shí)施時(shí)，首先使用掩膜遮擋非傳送帶區(qū)域，然后對(duì)掩膜處理后的圖像進(jìn)行閾值處理，消除大部分環(huán)境光干擾，再進(jìn)行侵蝕操作，去除無(wú)關(guān)斑點(diǎn)干擾，最后使用Findcontours操作尋找圖像中有效垃圾輪廓，裁剪傳入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

在圖像模塊完成對(duì)目標(biāo)垃圾的識(shí)別后，驅(qū)動(dòng)模塊開(kāi)始工作，通過(guò)控制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)將目標(biāo)垃圾投入對(duì)應(yīng)容納箱。接下來(lái)根據(jù)圖6和圖7詳細(xì)介紹本裝置的分類(lèi)流程。

圖6 系統(tǒng)軟件原理框圖

圖7 智能垃圾箱模型示意圖

(1)若圖像模塊檢測(cè)到目標(biāo)物為多種垃圾，則STM32實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)通過(guò)控制齒輪齒條模塊將輸送帶前方區(qū)域阻隔，隨后電機(jī)正轉(zhuǎn)控制輸送帶設(shè)備將多個(gè)垃圾輸送至分隔擋板區(qū)域；此時(shí)攝像頭再次啟動(dòng)采集多張垃圾圖像，檢查目標(biāo)垃圾是否已經(jīng)分開(kāi)。

①若已分開(kāi)則舵機(jī)控制其中一側(cè)齒輪齒條移開(kāi)，使目標(biāo)垃圾落入傳動(dòng)區(qū)的托盤(pán)位置，通過(guò)同步帶機(jī)構(gòu)和舵機(jī)云臺(tái)機(jī)構(gòu)將垃圾正確投放至容納桶中；待一側(cè)的目標(biāo)垃圾分類(lèi)完畢后，再打開(kāi)另一側(cè)的齒輪齒條機(jī)構(gòu)完成對(duì)剩余垃圾的分類(lèi)。

②若未分開(kāi)則電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶反轉(zhuǎn)，將垃圾在后置弧形擋板聚攏后再次分類(lèi)，重復(fù)以上操作直至將所有目標(biāo)垃圾均投放至所述容納桶中。

(2)若圖像模塊檢測(cè)到目標(biāo)物為一種垃圾，則不運(yùn)行齒輪齒條模塊，直接通過(guò)輸送帶機(jī)構(gòu)將目標(biāo)垃圾輸送到前方的托盤(pán)上，接著通過(guò)同步帶機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在托盤(pán)及目標(biāo)物的前后運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)舵機(jī)云臺(tái)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而將目標(biāo)垃圾正確投放到相應(yīng)容納桶中。

最后滿載檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)對(duì)容納桶的使用容量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若使用容量已經(jīng)達(dá)到75%，則通過(guò)語(yǔ)音模塊和顯示模塊發(fā)出聲光警報(bào)。本裝置在應(yīng)用到城市垃圾管理系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)容納桶內(nèi)剩余容量不足時(shí)，可發(fā)信息給區(qū)域垃圾管理員，便于及時(shí)地對(duì)智能垃圾箱已分類(lèi)的垃圾進(jìn)行收集處理和進(jìn)行對(duì)智能垃圾箱的清潔工作。

4 結(jié)語(yǔ)

本裝置是基于Linux嵌入式控制系統(tǒng)的多目標(biāo)分類(lèi)智能垃圾箱，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)目標(biāo)垃圾的識(shí)別并分類(lèi)，解決了目前多數(shù)智能垃圾箱不能進(jìn)行多目標(biāo)分類(lèi)的難點(diǎn)。通過(guò)語(yǔ)音模塊和顯示模塊實(shí)現(xiàn)了垃圾分類(lèi)宣傳片循環(huán)播放、語(yǔ)音播報(bào)垃圾種類(lèi)、英文跟讀，具有顯著的示教作用，能夠提高居民垃圾分類(lèi)意識(shí)，同時(shí)為今后建立區(qū)域化垃圾管理系統(tǒng)[5]提供了一種可行的思路和可靠的保障。這種分類(lèi)效率高，生產(chǎn)成本低的多目標(biāo)智能分類(lèi)垃圾箱滿足當(dāng)前城市迫切需要對(duì)生活垃圾進(jìn)行合理化回收，進(jìn)行資源再利用的剛性需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。