基于STM32的智能垃圾識別分類系統設計

方開耀，胡家家，吳濡，紀文龍

(安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南232001)

1 引言

隨著社會的進步，人們的生活質量也在不斷提升，對于建設智慧、綠色、環保型城市的需求日益強烈。而伴隨著高質量生活的到來，各種生活垃圾也與日俱增，極大地增加了我國的環境壓力，垃圾分類成為我國實現綠色環保、資源循環這一目標的關鍵。

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資源的極大浪費，還嚴重污染了空氣與土壤質量。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，同時響應國家智能化、自動化、數據化的發展，本文提出了一種具有智能識別、自動分揀、語音播報、數據動態可視化的節能垃圾分類系統設計。該設計彌補了現有分類垃圾桶結構復雜、耗能高、識別不精準且數據無法追蹤等缺陷，大大提高了用戶對于垃圾信息的快速準確采集，為后期進行垃圾處理提供了數據依據，同時有利于垃圾站等集中處的統籌管理，提高了垃圾處理效率和環境質量的保護。

2 整體設計

本文所設計的智能垃圾識別分類系統以STM32F103ZET6單片機作為系統控制芯片，整個系統采用功能模塊化設計。由太陽能電池板模塊對系統驅動進行供電，紅外傳感器模塊進行垃圾投放識別，攝像機圖像識別及四個相應舵機驅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現垃圾儲量監測的數據顯示及播報，以單片機作為數據收集終端、Wi-Fi模塊作為傳輸器搭建云平臺，實現遠距離實時監測。該智能識別垃圾分類系統結構框圖如圖1。

圖1 系統結構框圖

3 系統硬件設計

根據智能垃圾識別分類系統的系統結構框圖，對每個功能進行模塊化設計，由此設計的實物外框機械裝置圖如圖2所示。

圖2 實物機械裝置圖

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,并且可以自發地向外輻射特定波段10um左右的紅外線。當人類在接近垃圾桶內一定區域時,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],而電路中的感應器則會發出電壓信息,但因為紅外傳感器通過熱釋電過程所產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過帶通濾波并進行電壓放大后再傳輸到控制器以驅使舵機開啟垃圾箱頂部,并由此可以利用紅外反射原理進行垃圾桶箱頂部箱門的自動合閉工作。該設計的紅外自動門子系統框圖如圖3所示。

圖3 紅外自動門子系統框圖

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 的發展，現在CMOS 的圖像信息采集已趨于成熟且不遜于CCD，CMOS感光器經光電轉換后可直接產生電流信號，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電源，在節能環保上具有明顯優點。同時本設計需要大規模生產，在同分辨率下CMOS 制作成本更低，適用于大眾推廣產品，因此，在此采用以CMOS 光電傳感器為模組的攝像頭進行信息收集。

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，構建深度學習模型，以卷積神經網絡(CNN)的相關算法來進行圖像識別分類[4]。首先，需進行訓練模型數據裝入，在實驗過程中，從每類垃圾中各隨機選取3000張垃圾圖像建立數據集，利用卷積神經網絡的Incep‐tionV3 預訓練模型進行特征信息提取并作為圖像種類的特征值進行存儲，確定各特征值權重和節點計量式;然后,再進行對PCA的降維分析；最后，根據余弦相似度算法,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質上是激光測距,先由激光二極管對目標發出激光脈沖。到達目標后反射,激光向各方向發散。部分散射光會反饋回傳感器接收器上,被光學系統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內置并帶有放大功能的光感應器,所以它能夠測量非常微弱的光信號。通過記錄和處理,由光脈沖產生到返回被接收器所經過的時間,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，可提高接收系統的性噪比，保證測量精度。因此在四種垃圾類別箱內分別裝有激光測距傳感器，每次發生垃圾投放時，控制通過串口輸送信號進行激活激光測量更新數據，平時無垃圾投遞時保持休眠狀態。

3.4 太陽能發電模塊

為響應國家號召綠色低碳節能環保，采用太陽能電池供電系統為整個裝置供電，該模塊由太陽能電池板采光、太陽能控制器協調、蓄電池儲能三部分構成，根據光伏效應使用光-電直接轉換方式，太陽能電池板[5]利用光生伏特效應可以將太陽光輻射能量轉化為電能，但光伏發電受太陽光輻射度強弱的影響，電流處于波動狀態，若將太陽能電池板直接連接負載兩端會使系統十分不穩定，電壓忽高忽低。蓄電池在此系統中就作為一個功率平衡和儲能裝置，當光伏功率大于負載功率時，控制器把剩余的能量送往蓄電池中儲蓄，當光伏發電不能滿足負載需要時，控制器將把蓄電池的電能傳至負載。同樣因為蓄電池的儲能作用，使天氣即使在陰暗或雷雨天時，蓄電池中儲蓄的電能依舊能夠支持裝置持續運行。

3.5 顯示播報模塊

采用SYN6288語音合成芯片[6]快外接揚聲器實現語音報讀作為語音播報模塊。SYN6288芯片是性價比極高，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據進而實現文本數據到語音數據的轉換。這款芯片所具有的優點有：內部共設置支持16 級音強調節，播放文本的前景響度和播放配樂音強可分開控制，同時內部自帶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志發送調節，詞語語速支持6級調節。

考慮到顯示屏需長期置于戶外，會受到強光照射、雨淋等多方面自然因素影響，又鑒于節能環保需求，這里選用LED 顯示屏對外顯示垃圾箱內垃圾容量。相較于LCD屏，LED屏的本質上是大量的微小型發光二極管的集合，其中每一個基本像素可看成是一個或者多個顏色的單燈組成，其每個元素反應速度是液晶屏的上千倍，在光線較強時下也可以清晰成像，并且適應零下幾十度的低溫，更適用于戶外顯示屏,即使在距離較遠時也能看清屏幕顯示，同時其功耗和LCD相比約為10：1，具有低功耗、可靠性強、節能環保、使用周期長等特點。

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，同類處理器中價格適中，因此本系統中，以STM32F103ZET6 單片機為核心控制處理器,該芯片是由ARM 公司開發的基于ARM32位Cortex-M3 CPU 為核心的增強型系列之一,擁有72MHz CPU的速度以及超過1MB的閃存。包括電動機的控制外圍器材以及CAN 和USB 等全速接口技術。此嵌入式微控制器在工作時具有低功耗、低電壓,并結合了實時功能的高性能。

4 軟件設計

4.1 系統主程序流程

本設計應用ARM公司配套的keil uvision5平臺對整個系統的控制程序進行編寫，包括系統運行的主程序、電機驅動程序、舵機控制程序、語音播報及顯示程序等功能模塊子程序，實現了將智能垃圾識別分類系統的功能模塊化操作，使系統整體架構清晰，降低了程序耦合性，方便模塊化功能調試與升級，可維護性高。系統整體流程圖如圖4所示。

圖4 系統流程圖

首先，系統初始化后，通過紅外傳感檢測到有人靠近，當距離不大于設定的閾值時，垃圾箱頂部總門將自動開啟；攝像頭對垃圾圖像數據采集，識別所放的垃圾種類，通過串口將識別結果傳送至STM32 控制器[7]，由單片機發送指令控制電機和舵機運行投放至相應種類的垃圾箱，語音播報所投放的垃圾種類，同時各箱內所配相應激光傳感器將會對該箱進行儲量檢測，通過串口將檢測信息傳送至控制器中，經計算若剩余儲量小于10%，主控芯片將會啟動語音報警，儲量信息更新后上傳至大數據云平臺供參考，并在桶外延的LED 顯示器實時顯示，大約延時2.5 秒后舵機會關閉垃圾箱頂端總項箱門，至此結束一次垃圾投放分類過程。

4.2 大數據云平臺監測系統

云平臺通常也指云計算平臺,是指通過硬件和軟件資源的綜合網絡服務平臺,能夠進行大數據存儲與運算業務。一般按照主要用途可以分成以大數據儲存為核心的儲存型,以數據處理與運算分析為主的運算型,和二者并存的綜合型云平臺。云計算的應用解決了電腦硬件配置不足、數據太多占用硬盤空間大等問題。因為所有數據都在云端平臺中能夠安全寄存,不會出現因個人PC端錯誤等原因造成的數據損失情況，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行數據統計檢測。

在目前網絡寬帶普遍下，采用ESP8266Wi-Fi模塊連接就近的公共網絡或接入室內網絡信號，Wi-Fi模塊在根據選用多協議接入中國電信的Ctwing物聯網云平臺，將STM32所接收到的四類垃圾容量反饋信息通過網絡實現云數據上傳。在云平臺端，查看四種類別垃圾容量的實時信息，實現了垃圾容量信息的遠距離監測和快捷處理。其大數據云平臺構建流程圖如圖5所示。

圖5 大數據云平臺構建流程圖

5 總結與展望

隨著我國全面建成小康社會，向下一個百年目標奮進中，構建清潔、低碳、環保、綠色的美麗社會是必然趨勢，而實現垃圾分類的全覆蓋是發展中不可缺少的關鍵因素之一。

本文介紹了一種適用于當下智能自動化的智能垃圾識別分類系統的設計方法。以STM32F103ZET6 作為控制中心，太陽能電池系統作為供電電源，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和云價算大數據實時監測等五大基本功能組合。用戶靠近垃圾箱一定距離時將觸發位于箱頂的紅外傳感器，使得步進電機驅動頂端箱門自動開啟，垃圾進入暫存區，由攝像頭進行圖像識別自動分析垃圾種類上傳至處理器，舵機將投放了垃圾至相應類別垃圾箱內，同時語音播報垃圾種類，激光傳感器檢測該箱剩余容量并更新數據至箱外相應的顯示器上顯示。當該類型垃圾箱內已接近90%及以上時，垃圾箱將會進行語音報警，提示清理箱內垃圾。此外，通過云平臺大數據監測，可以遠程實時了解垃圾箱內信息，以便清潔工人更高效地進行垃圾管理處理。

隨著本設計的投入實踐與推廣，將極大提高居民垃圾分類的知識和意識，促進城鄉垃圾分類的普及化，節約相關工作者對垃圾處理的時間和成本，增強廢棄物品的循環利用率，同時也可減少對環境的污染影響，具有極大的實用和推廣價值。