基于YOLO目標檢測算法的智能秤設計

鄭雪儀 邱瑞鋒

廣東東軟學院 廣東 佛山 528225

引言

近年來隨著經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，高準確度并不是電子秤使用者的唯一追求，其便利性和實用性也十分重要。

目前市面上的電子秤存在操作流程復雜、需要一定的人力成本、快速操作下失誤風險較大等問題，仍有不少改進空間[1]。為了解決這一現(xiàn)狀，本項目擬制做出基于卷積神經網絡圖像識別的智能電子秤，在實現(xiàn)稱重的同時，自動識別果蔬類別并生成商品價格信息，運用于快速自助打秤的使用場景，可減少不必要的人力成本。

1 智能電子秤系統(tǒng)的整體設計

本智能系統(tǒng)包括主控芯片STM32、F103和K210、OLED與IPS顯示屏、SD卡、按鍵、HX711壓力傳感器、蜂鳴器、攝像頭OV2640、揚聲器、LED補光燈等硬件構成智能電子秤系統(tǒng)的整體設計[2-3]。具有自動識別商品、自動去皮稱重、自動計價、自動補光、掃描二維碼付款、調整誤差等功能。本項目用壓力傳感器的模擬/數字（A/D）轉換技術實現(xiàn)商品稱重、用YOLO目標檢測算法技術和二維碼技術實現(xiàn)智能圖像識別以及二維碼呈像，并利用大量的數據資源進行神經網絡的模型訓練，實現(xiàn)深度學習功能。整體設計圖如下圖1所示：

圖1 智能電子秤系統(tǒng)的整體設計圖

2 智能電子秤的硬件實現(xiàn)方式

2.1 HX711壓力傳感器模塊

選用HX711壓力傳感器模塊，電路封裝如下圖2所示。該芯片具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點[4]。芯片內部提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和其內部的A/D 轉換器提供電源，系統(tǒng)板上無須另外的模擬電源。該模塊可將VCC、GND、DOUT、SCK引腳直接接入單片機的IO口連接，單片機通過特定時序讀取AD轉換的數據。

圖2 HX711壓力傳感器

2.2 OLED顯示屏幕

采用OLED顯示模塊，IIC或SPI通信，SH1106驅動芯片，內部或外部電荷泵升壓，橢圓固定孔（配合M2螺釘），同時預留1.0×4的FFC封裝，需要的時候可以在PCB板上增加一個FFC接口。顯示分辨率為128×64，板上集成上電自動復位電路。電路原理圖如圖3所示：

圖3 OLED顯示屏

2.3 攝像頭模塊

智能秤采用OV2640圖像傳感器，該傳感器通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式的各種分辨率8/10位影像數據。OmmiVision圖像傳感器采用獨有的傳感器技術，通過減少或消除光學或電子缺陷，使得用戶可以完全控制圖像質量、數據格式和傳輸方式。

3 智能電子秤的軟件實現(xiàn)方式

3.1 讀取并處理壓力傳感器的數值

STM32通過管腳PD_SCK和DOUT與HX711芯片通訊，當數據輸出管腳DOUT為高電平時，表明A/D轉換器未準備好輸出數據，此時串口時鐘輸入信號PD_SCK應為低電平；當數據輸出管腳DOUT從高電平變低電平后，PD_SCK應輸入25至 27個不等的時鐘脈沖。輸入時鐘脈沖數少于25或多于27時會造成串口通信錯誤。當A/D轉換器的輸入通道或增益改變時，A/D 轉換器需要4個數據輸出周期才能穩(wěn)定[5]。數據輸出管腳DOUT在4個數據輸出周期后才會從高電平變低電平，輸出有效數據。

3.2 實現(xiàn)去皮與誤差調整功能

因為不同的傳感器特性曲線不一樣，所以每一個傳感器都需要矯正，為了方便用戶根據實際情況進行調整，這里將調試功能分為誤差加、誤差減和去皮這3種情況[6]。當測試值偏大時，增加該數值；當測試值偏小時，減小該數值。

3.3 二維碼的實現(xiàn)

由于本項目需要在單片機平臺上實現(xiàn)，為此我們移植了基于MIT開源協(xié)議的二維碼生成源碼。為了防止生成的二維碼較小，不方便用戶進行掃碼，因此需要通過算法進行放大。這里用到的放大方法是遇到0就畫一個實心的矩形，遇到1就擦除一個實心矩形里面的所有點（反顯）。

3.4 K210端主函數實現(xiàn)方式

使用K210端主函數時應先進行各個硬件初始化工作，再載入訓練好的模型文件[7]。然后讀取攝像頭OV2640的數據，進行物體識別并分類，如過確信度符合設定值，就通過UART串口發(fā)送給STM32，若不符合則繼續(xù)等待識別成功。

3.5 深度學習模型訓練

在實現(xiàn)物體分類之前，需要對樣本進行訓練，訓練步驟如下[8-9]：

3.5.1 訓練之前需要對即將要訓練的圖片進行標注，將所有標注的xml文件轉化為1個txt文件，文件內容包括絕對路徑，以及box的坐標。

3.5.2 運行kmeans.py將數據集所有標注的box聚類，不同數據集聚類的結果不同。

3.5.3 訓練：將image轉換為model的輸入尺寸（255，255）同時進行box坐標的轉換，見utils.py →真實標注賦值以及坐標轉換→Generate生成resize后的image以及真實標注→Loss處理→檢測。

圖4 智能電子秤的實物展示

4 結束語

本項目通過使用STM32+K210的方案，研究的智能Ai果蔬分類電子秤，可實現(xiàn)方便、高效的家居控制[10]。我們創(chuàng)新性地使用Android ID 作為手機用戶的識別碼，極大地提高了系統(tǒng)的安全性和自主性。

同時，Ai秤以極低的成本完成了極高的效率，本項目可實現(xiàn)顧客快速自助打秤，減少了不必要的人力成本，使得它十分適合應用在無人超市。