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

鄭金明

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學院，南寧 530023）

近年來，機器視覺技術(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)展的垃圾分類系統(tǒng)相對匱乏。將垃圾分類工作與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)生活垃圾的智能分類，是城市發(fā)展的必然途徑。因此，開發(fā)智能垃圾分類系統(tǒng)對城市發(fā)展和社會發(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系統(tǒng)設(shè)計

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

1.1 垃圾分類系統(tǒng)總體方案設(shè)計

垃圾分類系統(tǒng)由主控板、識別單元、上位機軟件、環(huán)境檢測單元、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）通信模塊以及指導系統(tǒng)等組成。運行時，系統(tǒng)主要通過目標識別單元收集垃圾信息，然后利用機器視覺技術(shù)將采樣數(shù)據(jù)輸入至主控板。

主控板接收到垃圾識別信息后，利用環(huán)境傳感器檢測垃圾溫度、氣壓、濕度和環(huán)境有害氣體等信息，再通過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)器和管理平臺連接。

NB-IoT設(shè)備終端采用微控制器進行操作，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。微控制器主要通過NB-IoT通信模塊與服務(wù)器進行通信。此外，NB-IoT設(shè)備終端也可以通過ZigBee、Wi-Fi以及藍牙等短距離物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)與垃圾分類系統(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基站主要負責用戶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NB-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。非IP傳輸方式具有安全性高、功耗低以及適用性強等優(yōu)點[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)議可以滿足機器對機器（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 分場景無法通信的問題，通過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)報協(xié)議模型如圖2所示。用戶數(shù)據(jù)報協(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端口號和地址—客戶端向服務(wù)器發(fā)送報文信息—服務(wù)器接收協(xié)議并進行解析—數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后斷開用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議”。用戶數(shù)據(jù)報協(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端口號和地址—發(fā)動報文信息—客戶端接收信息并解析”[3]。

2 垃圾分類系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

垃圾分類系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，與集中式結(jié)構(gòu)相比，各部件相對獨立，可以避免設(shè)備間的相互干擾，減輕系統(tǒng)控制器的工作負擔。垃圾分類系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。垃圾分類系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括目標識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)報協(xié)議模型

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

目標識別單元由攝像頭和分類模型組成。攝像頭和分類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

2.2.1 主控制芯片選型

主控板芯片是垃圾分類系統(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，可以降低垃圾分類系統(tǒng)在待機、停機和睡眠狀態(tài)的工作頻率[5]。

2.2.2 電源電路設(shè)計

電源電路主要由NB-IoT通信單元、微控制器和環(huán)境檢測單元等模塊組成。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個引腳。C5～C8為濾波電容，可以濾除電源電路運行過程中產(chǎn)生的噪聲。

2.2.3 串口通信設(shè)計

串口電路的設(shè)計和使用較為便捷。本系統(tǒng)主要采用串口進行硬件調(diào)試和程序下載。為簡化電路設(shè)備，系統(tǒng)采用聯(lián)合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）調(diào)試器對微控制器直接進行調(diào)試。JTAG調(diào)試信號通過電阻與微控制器進行連接。系統(tǒng)電路采用CH340G USB串口實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，可以進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

目前，市場的主流NB-IoT模塊包括利爾達NB03、中移物聯(lián)M5310和移遠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 垃圾分類系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主控板軟件設(shè)計

系統(tǒng)接入電源后，需要對主控板的外接設(shè)備如系統(tǒng)時鐘、I2C總線、液晶屏、USART以及定時器等進行初始化，以保證系統(tǒng)各個模塊可以正常運行。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)備運行參數(shù)外，還需要確定程序運行起點，進行裝載定時器等賦值操作。當主控板軟件程序賦值和初始化操作結(jié)束后，系統(tǒng)自動進入主程序，并在液晶顯示屏顯示氣敏響應(yīng)、溫濕度以及圖片等信息，實現(xiàn)垃圾信息的顯示、上報和采集功能。

3.2 指導系統(tǒng)軟件設(shè)計

指導程序的作用是引導用戶正確使用垃圾分類系統(tǒng)功能，包括識別垃圾種類和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測等。指導系統(tǒng)有界面設(shè)計、垃圾投遞、NB-IoT配置和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測等功能。用戶在進入指導系統(tǒng)主界面后，可以通過操作屏幕按鍵選擇環(huán)境監(jiān)測、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 目標識別單元軟件設(shè)計

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

目標識別單元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在訓練過程中會占用大量硬件資源。為保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓練的高效性，系統(tǒng)硬件計算單元采用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)模型訓練對硬件空間的要求。

4 結(jié)語

本文對垃圾分類系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。環(huán)境信息采集方面結(jié)合實際應(yīng)用場景，實現(xiàn)了氣敏電阻和溫濕度的采集。目標識別單元方面采用集成算法與深度學習算法對識別模型進行訓練，進一步提高了垃圾分類識別的效率。基于硬件基礎(chǔ)設(shè)計了軟件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了垃圾分類信息和環(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Web客戶端、UDP信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。