基于OpenMV的垃圾袋自動(dòng)封口及換袋裝置

田江濤，王橋，楊婭婷，張春海，王希望，李光雙

（貴州師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)，550018）

0 引言

近些年來(lái)，社會(huì)迅猛發(fā)展，很多日常生活用品都朝著智能化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的垃圾桶已經(jīng)不能滿足用戶日常生活的需求，易滋養(yǎng)細(xì)菌、傳播疾病、污染環(huán)境是垃圾桶發(fā)展中常見(jiàn)的一類障礙，能夠抑制病菌的傳播,保護(hù)人體健康,防止有機(jī)垃圾的腐爛變質(zhì)就成為了用戶對(duì)于新型行垃圾桶的一大需求，對(duì)于與用戶針對(duì)用戶需要花費(fèi)時(shí)間在自己打開(kāi)垃圾箱蓋，自己動(dòng)手套垃圾袋、以及動(dòng)手打包垃圾袋而言，基于OpenMV的垃圾袋自動(dòng)封口及換袋裝置在減少用戶精力耗費(fèi)方面起了很大作用。

本文主要介紹一種基于OpenMV的垃圾袋自動(dòng)封口及換袋裝置，此產(chǎn)品以STM32F103系列單片機(jī)為核心控制器，使用Micro Python語(yǔ)言對(duì)人體目標(biāo)識(shí)別與追蹤算法進(jìn)行研究，捕捉到人體丟垃圾的動(dòng)作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于人機(jī)工程學(xué)原理，結(jié)合人機(jī)關(guān)系，設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)套袋、自動(dòng)打包、推袋等主要過(guò)程自動(dòng)化的垃圾桶。將該裝置滿足性價(jià)比高、綠色環(huán)保等特性要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于OpenMV的垃圾袋自動(dòng)封口及換袋裝置以單片機(jī)為核心控制器，采用STM32F103C8T6為主控芯片，它的串口實(shí)時(shí)與WTGPS+BD定位模塊交互，系統(tǒng)由電源模塊、OpenMV攝像頭模塊、OLED模塊等組成，OpenMV是一個(gè)可編程O(píng)penMV 攝像頭，使用Micro Python語(yǔ)言進(jìn)行編程，有良好的開(kāi)源環(huán)境，能夠?yàn)榉奖愕剡\(yùn)用多種圖像處理并進(jìn)行簡(jiǎn)單的圖像分析。此外，此產(chǎn)品以STM32F103系列單片機(jī)為核心控制器，使用Micro Python語(yǔ)言對(duì)人體目標(biāo)識(shí)別與追蹤算法進(jìn)行研究，捕捉到人體丟垃圾的動(dòng)作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于人機(jī)工程學(xué)原理，結(jié)合人機(jī)關(guān)系，設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)套袋、自動(dòng)打包、推袋等主要過(guò)程自動(dòng)化的垃圾桶。該裝置保護(hù)人體健康同時(shí)，還抑制病菌的傳播、防止有機(jī)垃圾的腐爛變質(zhì)，給人們帶來(lái)極大便利。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封口，力求使用的避免用手接觸垃圾，有效防止細(xì)菌通過(guò)手傳播。垃圾袋自動(dòng)封口及換袋裝置的總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件總體框架示意圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 核心控制器

本文自動(dòng)封口及換袋裝置以STM32F103C8T6芯片為核心控制器，能使多功能行李箱的成本降到最低，且實(shí)現(xiàn)的功能非常多，還有一個(gè)好處就是，它可以直接調(diào)用STM32系列的單片機(jī)的官方提供的庫(kù)文件，對(duì)于本文自動(dòng)封口及換袋裝置的軟件編程非常方便。此外，單片機(jī)的工作電壓為2V～3.6V，其工作溫度為零下四十?dāng)z氏度至八十五攝氏度，對(duì)于極寒天氣和高溫天氣而言，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能不會(huì)極端受天氣影響，多功能行李箱可以正常使用。在本文的行李箱中，STM32單片機(jī)控制著整個(gè)箱體所有的功能模塊，實(shí)現(xiàn)本文自動(dòng)封口及換袋裝置的自動(dòng)化。圖2為部分主板電路原理圖。

圖2 部分硬件電路原理示意圖

■2.2 OpenMV攝像頭模塊

OpenMV是一個(gè)開(kāi)源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)模塊。以STM32F767CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語(yǔ)言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺(jué)算法，提供Python編程接口，如圖3所示。

圖3 攝像頭模塊示意圖

OpenMV核心部分就是STM32F767，外加上外圍電路模塊以及攝像頭模塊就組成做基本常見(jiàn)的應(yīng)用了。在本項(xiàng)目中，我們使用的OpenMV使用了usb接口，其優(yōu)點(diǎn)在于，usb數(shù)據(jù)線常見(jiàn)，且原理簡(jiǎn)單，容易理解。該攝像頭模塊也外置了I/O口，可以進(jìn)行為此開(kāi)發(fā)；相應(yīng)的，也增加了SD卡以及以及LED小燈。在本項(xiàng)目中，該模塊就大大減少了我們的工作量，相應(yīng)的也節(jié)約了我們開(kāi)發(fā)的成本。

OpenMV在本項(xiàng)目中擔(dān)任著重要的角色，功能主要是識(shí)別不同顏色和形狀的垃圾。IDE使用的是OpenMV IDE,圖像的識(shí)別可以采用動(dòng)態(tài)采集的方式，前提是我們預(yù)先測(cè)量好一組openMV當(dāng)前可視化的環(huán)境，當(dāng)攝像頭采集到圖片之后呢，再與openMV所測(cè)量訓(xùn)練好的標(biāo)準(zhǔn)作對(duì)比，得到相應(yīng)的信息，之后編輯一個(gè)串口發(fā)送函數(shù)將識(shí)別到的信息發(fā)送給主控STM32F103C8T6，作相應(yīng)的垃圾處理：除此之外，該模塊還可以長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)工作，時(shí)時(shí)檢測(cè)裝置當(dāng)前的可視范圍內(nèi)的狀態(tài)。

■2.3 zigbee模塊

Zigbee模塊 是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)Zigbee模塊網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個(gè)Zigbee模塊網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。

每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器，N個(gè)路由器或者是N個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。所謂協(xié)調(diào)器就是我們的創(chuàng)建者，這是必須要有的，因?yàn)橐M成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，必須得要有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)。路由器的特點(diǎn)就是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)主機(jī)發(fā)送報(bào)文時(shí)，先將報(bào)文分段，再在每一段前面加上首地址，發(fā)送到路由器中，路由器接收到每一個(gè)報(bào)文段，就查找路由表，查找到目標(biāo)地址，之后再將報(bào)文段進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此路由器起的作用就是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，終端節(jié)點(diǎn)功能主要是用來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)。

在本項(xiàng)目中，Zigbee主要的功能時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee協(xié)議發(fā)送到對(duì)應(yīng)的Zigbee模塊，對(duì)應(yīng)的模塊接收到無(wú)線數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行相應(yīng)的處理，通俗來(lái)說(shuō)，就是兩塊Zigbee模塊進(jìn)行透明傳輸，兩個(gè)模塊之間相當(dāng)于就是一條串口線。主要功能路線如圖4所示。

圖4 zigbee通訊原理示意圖

■2.4 0.96寸OLED模塊

OLED的適用場(chǎng)景特別的廣，在電子手表，還有其他的電子DIY上面也是非常常見(jiàn)。在本次的項(xiàng)目中呢，OLED主要是用來(lái)作一個(gè)簡(jiǎn)單的顯示，目前裝置的運(yùn)行狀態(tài)，比如當(dāng)每個(gè)功能運(yùn)行時(shí)，OLED就會(huì)作相應(yīng)的顯示，當(dāng)裝置處于空閑狀態(tài)時(shí)，OLED上面就顯示相應(yīng)的空閑狀態(tài)。

■2.5 電池

本文多功能行李箱在給STM32及其他一些外部電路和電子元件供電采用的是航模電池，航模電池的本質(zhì)是鋰離子聚合物電池，而鋰離子聚合物電池是今后二次電池的發(fā)展的方向，航模電池的相對(duì)優(yōu)勢(shì)是內(nèi)含能量高、重量輕、型號(hào)較多。于形狀方面而言，航模電池輕薄化的一大特征可以迎合用戶的諸多需求，可以制成一些市面上難以見(jiàn)到的電池。在實(shí)際應(yīng)用中，航模電池常用于航模飛機(jī)等玩具模型的供電，由此可見(jiàn)它的效率和安全性都高。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 OpenMV識(shí)別程序

該部分主要由運(yùn)行在OpenMV上的Python算法對(duì)各種顏色的垃圾進(jìn)行識(shí)別。攝像頭采集到相應(yīng)的圖片信息之后，利用算法對(duì)采集到的圖片進(jìn)行分析識(shí)別，得到垃圾與OpenMV之間的距離以及垃圾顏色，判斷垃圾的距離是否在程序所設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，并打印測(cè)量距離的結(jié)果以及信息。在OpenMV上編寫(xiě)串口的Python程序，通過(guò)串口通訊的方式將距離信息發(fā)送到CPU，CPU進(jìn)行距離分析，之后CPU控制相應(yīng)的硬件作出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

部分實(shí)現(xiàn)程序如下所示：

Lm = (b[2]+b[3])/2

length = K/Lm

if length <= 17:

print(length)

uart.write(“1 ”)

if length>17:

print(length)

uart.write(“2 ”)

length為測(cè)量的距離，print為打印距離的函數(shù)，uart.write為串口輸出函數(shù)。

圖5 軟件實(shí)現(xiàn)原理示意圖

■3.2 zigbee進(jìn)行兩兩通訊

在本項(xiàng)目中，Zigbee主要的功能時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee協(xié)議發(fā)送到對(duì)應(yīng)的Zigbee模塊，對(duì)應(yīng)的模塊接收到無(wú)線數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行相應(yīng)的處理，通俗來(lái)說(shuō)，就是兩塊Zigbee模塊進(jìn)行透明傳輸，兩個(gè)模塊之間相當(dāng)于就是一條串口線。

在本項(xiàng)目中，我們將使用兩個(gè)zigbee模塊，一個(gè)安裝在裝置上作為發(fā)射端，一個(gè)作為接收端終端顯示。具體功能如下：當(dāng)我們的垃圾箱垃圾超出了設(shè)定的量時(shí)，傳感器就會(huì)將信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)再將信息傳遞給發(fā)送端zigbee模塊，發(fā)送端就將信息無(wú)線傳輸發(fā)送給接收端，接收端就進(jìn)行報(bào)警，此時(shí)工作人員就可以對(duì)相應(yīng)的垃圾箱作垃圾的清理。

4 系統(tǒng)測(cè)試

基于OpenMV的垃圾袋自動(dòng)封口及換袋裝置系統(tǒng)測(cè)試主要分為兩個(gè)部分：硬件測(cè)試和軟件測(cè)試。硬件測(cè)試從電路開(kāi)始檢測(cè)，首先使用萬(wàn)用表檢測(cè)各個(gè)電路是否有短路，之后整體測(cè)試。只有保證各個(gè)元器件完好，系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作。軟硬協(xié)同測(cè)試首先，將搭建好的硬件電路協(xié)同軟件代碼測(cè)試，在（編譯軟件）里編寫(xiě)代碼，代碼無(wú)誤后燒寫(xiě)代碼，之后便可顯示代碼運(yùn)行情況。接著測(cè)試步進(jìn)電機(jī)和主板電路，將調(diào)試好的代碼燒進(jìn)主板，步進(jìn)電機(jī)能正常工作。

之后測(cè)試OpenMV模塊，當(dāng)將人體手勢(shì)的圖片存放在工程里，測(cè)試結(jié)果：攝像頭采集到圖片之后，與存儲(chǔ)的圖片做對(duì)比，利用特征匹配相似度匹配到對(duì)應(yīng)的手勢(shì)圖片，之后將識(shí)別到的信息發(fā)送給主控，這一工作流程無(wú)誤。最后測(cè)試Zigbee模塊。使用兩個(gè)zigbee模塊，一個(gè)安裝在裝置上作為發(fā)射端，一個(gè)作為接收端終端顯示。測(cè)試結(jié)果：當(dāng)垃圾箱垃圾超出了設(shè)定的量時(shí)，傳感器就會(huì)將信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)再將信息傳遞給發(fā)送端zigbee模塊，發(fā)送端就將信息無(wú)線傳輸發(fā)送給接收端，接收端就進(jìn)行報(bào)警，此時(shí)工作人員就可以對(duì)相應(yīng)的垃圾箱作垃圾的清理。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，本文的自動(dòng)封口及換袋裝置解決了目前市面上傳統(tǒng)的垃圾桶普遍存在的一些問(wèn)題，用戶在套袋、打包垃圾的時(shí)候更加輕便快捷，同時(shí)本文的自動(dòng)封口及換袋裝置具有自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋功能，當(dāng)前本文自動(dòng)封口及換袋裝置經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)與測(cè)試，自動(dòng)封口及換袋裝置的工作性能非常穩(wěn)定，而且功能實(shí)現(xiàn)的效果良好。在這個(gè)生活節(jié)奏較快的時(shí)代，自動(dòng)封口及換袋裝置一定是垃圾處理的一大幫手。如果用戶處理垃圾時(shí)使用本文的自動(dòng)封口及換袋裝置，用戶的出行會(huì)非常輕松。此外，本文的自動(dòng)封口及換袋裝置具有很廣闊的市場(chǎng)前景，在未來(lái)一定能夠占據(jù)市場(chǎng)的一大份。本文的自動(dòng)封口及換袋裝置能給人們工作和生活中提供便利，減少了用戶因?yàn)樘幚砝a(chǎn)生的的焦慮，給用戶帶來(lái)舒心的每一天。