基于神經網絡與機器視覺的垃圾分類系統(tǒng)的設計

②具有64KB的Flash儲存器和20KB的SRAM，支持多種通信接口，包括SPI、IIC、USART和CAN等，最高可達72MHz工作頻率,2.0-3.3V供電，以及多個快速I/O端口，端口均可容忍5V信號，配備3個16位通用定時器、ADC和DAC等模擬外設。圖2STM32F103C8T6控制模塊如圖3所示K210采用雙核64位RISC-V處理器，工作電壓為3.3V，主頻最高可達400MHz，搭配硬件浮點加速器和DMA控制器，可以處理復雜的算法和任務。能夠適配不同的外設和傳感器，提供豐富的硬件接口，如UART、SPI、I2C、GPIO等，以便用戶方便地進行硬件擴展和連接外部設備。其還內置了多核AI協(xié)處理器，支持神經網絡加速，如CNN和RNN等，為開發(fā)人員提供了高效的AI計算能力。圖3K210核心板如圖4所示。ov5642攝像頭集成了高級的像素和圖像處理技術，支持自動白平衡、自動曝光和自動對焦等多種圖像優(yōu)化功能，能夠自動調整圖像參數(shù)以適應不同的環(huán)境和拍攝條件。圖像處理器能夠實時調整亮度、對比度和飽和度等，提供更好的圖像效果。該攝像頭不僅分辨率高，還具有低功耗設計，能夠延長設備的使用壽命。同時，其還支持實時圖像處理和視頻編碼，適用于各種圖像和視頻應用場景。圖4ov5642攝像頭如圖5所示，該2.4寸TFT屏幕具有以下特點。首先，其采用TFT（薄膜晶體管）技術，具有高分辨率和細膩的色彩還原能力，可以呈現(xiàn)清晰、逼真的圖像。其次，該屏幕具有適中的尺寸，以及快速的響應時間和高刷新率，能夠在實時應用中展示流暢的動態(tài)圖像。此外，其支持廣色域和多種顯示模式，可以滿足不同應用的需求。該屏幕還可以通過硬件接口與K210核心板進行簡便的連接，如SPI接口、I2C接口等。最后，該屏幕具有穩(wěn)定的硬件連接和堅固的結構設計，確保長時間穩(wěn)定運行。圖52.4寸TFT屏幕3智能視覺識別垃圾分類系統(tǒng)硬件設計3.1K210電路原理圖K210電路原理圖如圖6（1）、圖6（2）所示。K210芯片內部包含雙核64位RISC-V處理器，提供高性能的計算能力和多任務處理能力。其集成硬件浮點運算單元和DMA控制器，實現(xiàn)高效的浮點計算和數(shù)據(jù)傳輸。時鐘電路為K210芯片提供穩(wěn)定的時鐘信號，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。電源管理電路通過電源轉換器和穩(wěn)壓模塊，提供穩(wěn)定的電壓和電流供給各個芯片和外設。外存儲器模塊包括閃存和SDRAM，用于存儲程序代碼和數(shù)據(jù)。通信接口電路支持串口（UART）、SPI、I2C、GPIO等接口，實現(xiàn)與其他設備的數(shù)據(jù)交互。此外，K210核心板還可能包含音頻模塊、顯示屏接口等外設，以滿足不同應用場景的需求。圖6（1）K210電路原理圖圖6（2）K210電路原理圖3.2STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路STM32F103C8T6最小系統(tǒng)如圖7所示。時鐘電路由晶體振蕩器和電容組成，保證單片機工作按照時間順序。復位電路能夠讓單片機回到起始狀態(tài)。通過設計電源電路、時鐘電路、復位電路來滿足單片機運行的基本要求。圖7STM32F103C8T6最小系統(tǒng)圖3.3ov5642攝像頭原理圖ov5642攝像頭的原理圖，如圖8所示。K210核心板與ov5642攝像頭連接。打開K210核心板上的卡扣，將排線插緊后關閉卡扣。圖8ov5642攝像頭原理圖3.4TFT屏幕模塊電路設計TFT屏幕的原理圖，如圖9所示。K210核心板與TFT屏幕使用SPI接口。打開K210核心板上的卡扣，將排線插緊后關閉卡扣。圖9TFT屏幕原理圖3.5輸入按鍵與K210核心板連接電路輸入按鍵模塊電路接線如圖10所示，4、3、2號為機械式按鈕輸入端，按鍵一端接地，一端分別與K210核心板的PIN10、PIN15、PIN16相連。通過按下K1、K2按鍵選擇識別模式，按下K3按鍵確認。圖10輸入按鍵電路連接圖3.6舵機模塊電路設計舵機模塊電路設計如圖11所示。將舵機的控制線分別接到PB11,PB10,PB1,PA7上，5V接5V電源，GND接電源GND。電源線連接通過PWM控制，通過調整輸入信號的脈沖寬度來改變舵機輸出轉軸角的大小。圖11舵機模塊電路連接圖3.7報警模塊電路設計連接電路如圖12所示。PA5連接核心板PA5引腳相連，5V接5V電源，GND接電源GND。S8050為NPN三極管，當PA5輸出一個高電平，則S8050處于導通的狀態(tài)，LED燈點亮，蜂鳴器報警。 圖12報警模塊電路設計3.8K210核心板串口模塊電路設計K210核心板串口有四個引腳，其電路連接方式如圖13所示。5V接5V電源，PA2接核心板PIN6，PA3接核心板PIN7，GND接電源GND。圖13K210核心板串口模塊電路連接圖4智能視覺識別垃圾分類系統(tǒng)軟件設計4.1K210程序設計K210程序流程圖如圖14所示，使用python語言進行編寫。先將key_gen_v1.2.bin這個固件通過kflash_gui燒錄到核心板上。燒錄這個機器碼固件之后，核心板是處于一個不能使用的狀態(tài)，上電后屏幕只會變成一個白屏。之后將核心板通過USB連接到電腦上，利用串口連接電腦與核心板。連接成功后按下核心板上的reset的按鍵，就會出現(xiàn)一串字符在終端窗口上，這時得到本機器的機器碼：856407729ad828020fd46b304d0d0260。打開/model/zoo/61網站，輸入本K210核心板的機器碼，下載對應的自學習分類器。本模型的優(yōu)點為：無需重新訓練模型，直接離線學習多個物體的特征，然后即可識別物體所屬分類。配置STM32與K210串口通訊，將PA2設置為復用推挽輸出，PA3設置為浮空輸入模式；配置NVIC；配置UART波特率為9600，模式為收發(fā)模式；開啟串口接收中斷；使能串口2。再配置K210核心板，將PIN7設置為UART1的發(fā)送引腳，PIN6設置為UART1

的接收引腳，波特率是設置為9600與STM32單片機波特率相同。首先將模型庫與算法庫導入K210核心板，再配置串口與按鍵引腳初始化，因為需要在屏幕上顯示中文，所以在SD卡中加載字庫：songti.Dzk。完成所有初始化之后對按鍵進行判斷：當按下按鍵選擇進入新的訓練模式時，通過按下確認鍵后按照空白、可回收、廚余、有害、其他的順序添加這5種分類，之后繼續(xù)添加5個樣本，對前五種分類進行訓練學習。訓練學習完成之后將訓練集與分類集儲存至SD中的“5_classes.classifier”文件中。儲存完成之后開始識別物品分類,將識別出的物品分類顯示液晶上，并通過串口發(fā)送識別的分類結果到STM32單片機。當按下按鍵選擇進入已保存的訓練模式時，不會改變分類的模式，會直接進行物品的識別。同樣將識別出的物品分類顯示液晶上，并通過串口發(fā)送識別的分類結果到STM32單片機。圖14K210程序流程圖4.2STM32程序設計STM32程序流程圖如圖15所示，使用C語言進行編寫。主程序中先對I/O口模塊，定時器模塊，串口模塊進行初始化，在主程序中通過while(1)循環(huán)中進入串口判斷模式，串口判斷的結果可分為以下4種：（1）當?shù)玫降慕Y果result:1時，表明當前K210核心板識別當前的垃圾為可回收垃圾，STM32控制相應的舵機打開，蜂鳴器報警，LED燈亮。3秒以后聲光指示關閉，舵機恢復到初始狀態(tài)，清空串口緩存。最后重新進入循環(huán)判斷串口收到的數(shù)據(jù)。（2）當?shù)玫降慕Y果result:2時，表明當前K210核心板識別當前的垃圾為有害垃圾，STM32控制相應的舵機打開，蜂鳴器報警，LED燈亮。3秒以后聲光指示關閉，舵機恢復到初始狀態(tài)，清空串口緩存。最后重新進入循環(huán)判斷串口收到的數(shù)據(jù)。（3）當?shù)玫降慕Y果result:3時，表明當前K210核心板識別當前的垃圾為廚余垃圾，STM32控制相應的舵機打開，蜂鳴器報警，LED燈亮。3秒以后聲光指示關閉，舵機恢復到初始狀態(tài)，清空串口緩存。最后重新進入循環(huán)判斷串口收到的數(shù)據(jù)。（4）當?shù)玫降慕Y果result:4時，表明當前K210核心板識別當前的垃圾為其他垃圾，STM32控制相應的舵機打開，蜂鳴器報警，LED燈亮。3秒以后聲光指示關閉，舵機恢復到初始狀態(tài)，清空串口緩存。最后重新進入循環(huán)判斷串口收到的數(shù)據(jù)。圖15STM32程序流程圖4.3報警模塊程序流程圖如圖16。首先初始化STM32PA5引腳，打開GPIOA的RCC_APB2時鐘，將PA5配置為推挽輸出，I/O口速度為50MHz。當識別到垃圾分類時，PA5輸出高電平，蜂鳴器報警，LED燈點亮。圖16報警模塊程序流程圖4.4舵機模塊程序流程圖如圖17。首先初始化STM32的PB11,PB10,PB1,PA7引腳，打開GPIOA，GPIOB的RCC_APB2時鐘，將PB11,PB10,PB1,PA7配置為推挽輸出，I/O口速度為50MHz。當識別到垃圾分類時，收到寬度為2ms脈沖寬度的PWM信號，舵機打開45°角。圖17舵機模塊程序流程圖5實物調試5.1硬件調試硬件調試階段，在安裝器件前先用萬用表檢查每條電路是否正常導通。接著安裝核心板。檢查輕觸開關、電阻、三極管、舵機、LED燈、電阻是否正常。最后給2個單片機下載測試程序，看電路能不能正常運行，是否能完成預期目標，以此對所有的輸入端和輸出端進行檢測。經檢查，電路正常。5.2程序調試程序調試階段，分模塊測試程序,如圖18（1）（2）所示。首先測試TFT顯示屏能夠正常顯示攝像頭拍攝出的圖像、模式選擇界面與檢測出的垃圾分類，顯示正常，攝像頭正常。K210核心板識別3個輸入按鈕信號，實現(xiàn)模式選擇與確認，輸入信號正常，可以正常使用。單片機能夠輸出信號作用于NPN三極管，可以讓對應的狀態(tài)指示燈點亮，輸出信號正常，可以正常運行。PB11,PB10,PB1,PA7輸出PWM信號作用于舵機，也可以正常運行。STM32單片機與K210核心板能夠正常進行串口通信，通信正常，能夠接受與發(fā)送。最后反復測試程序邏輯及運行的流暢度，保證后期正常運行。圖18（1）軟件調試圖圖18（2）軟件調試圖5.3總體調試系統(tǒng)總體調試如圖19顯示。將編寫好的程序下載到STM32單片機與K210核心板，檢查電路連接，測試各個模塊工作是否能正常工作后連接電源。成功啟動后進入選擇界面，選擇添加新的分類，按照空白、可回收、廚余、有害、其他的順序添加這5種分類，再添加這5種樣例從而使模型庫更加完整，然后進入識別模式。識別完成后首先查看TFT屏幕，是否正常顯示攝像頭拍攝圖像，是否能正常顯示正確的垃圾分類；之后查看相應的舵機是否工作，蜂鳴器是否正常工作，LED燈是否點亮。經調試，功能正常，電路正常工作。圖19系統(tǒng)總體調試圖6總結6.1智能視覺識別垃圾分類系統(tǒng)發(fā)展前景本文所設計了的智能視覺識別垃圾分類系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32F103C8T6與K210為核心，對垃圾的識別，分類，處理可以實現(xiàn)完全自動化，通過K210自學習分類器添加新的垃圾樣例，可應對多種環(huán)境。該系統(tǒng)經過調試和測試運行后，運行較為穩(wěn)定，且操作簡單、制作簡單、成本低、易升級，具有廣泛的應用前景。6.2作品不足之處本作品由于前期設計考慮不周全，有以下不足之處：添加的垃圾種類較少，只存在4種垃圾分類；無法同時識別多種垃圾分類；在更換環(huán)境時需要重新采集背景；功能較少，可以考慮添加語音播報模塊以方便在多種環(huán)境下的使用；參考文獻趙忠玉,徐生龍.一種新型校園垃圾分類系統(tǒng)的設計[J].自動化應用,2022(11):158-160+164.DOI:10.19769/j.zdhy.2022.11.041.馬永喜,辛雅儒,申晨.人工智能技術應用對城市居民垃圾分類成效的影響——一個實地實驗研究[J].經營與管理,2022(10):116-122.DOI:10.16517/12-1034/f.2022.10.020.謝小明,徐建輝,陳飛燕.基于視覺識別的垃圾分類箱系統(tǒng)[J].自動化與信息工程,2022,43(01):49-52.王雪,葉長青,杜雨洋.基于樹莓派的智能垃圾分類桶設計[J].電腦知識與技術,2021,17(25):114-115+120.DOI:10.14004/ki.ckt.2021.2506.林穎,黃澤豪,曾文軒等.基于視覺識別的垃圾分類系統(tǒng)[J].電子技術與軟件工程,2021(10):78-79.趙忠玉,徐生龍.一種新型校園垃圾分類系統(tǒng)的設計[J].自動化應用,2022(11):158-160+164.DOI:10.19769/j.zdhy.2022.11.041.王科舉,廉小親,安颯等.基于樹莓派和Arduino的智能垃圾桶[J].信息技術與信息化,2019(10):104-108.Ho