基于OpenMV 的生活垃圾智能分类系统设计

邓三星，薛国阳，张兆宽，李恒，杨蒙蒙

（1.黄河交通学院，河南焦作，454950；2.焦作市智能机器人工程技术研究中心，河南焦作，454950）

0 引言

近年来，垃圾分类成了一个热门话题，引起了广泛的关注和讨论。随着人口的增多和城市发展的加快，所产生的垃圾也越来越多，垃圾的处理问题日益突出。为了建设美丽宜居的城市，垃圾分类已经成为每个人都应该积极参与并重视的环保行动。垃圾分类不仅帮助减少环境污染，还能回收再利用资源，实现可持续发展的目标[1]。为此结合了文献[2～4]设计了一款生活垃圾智能分类系统，以STM32 单片机为核心，利用OpenMV 视觉模块进行图像识别，可以对城市中多种类型的垃圾进行识别，同时还可以对垃圾箱内垃圾满载进行检测。通过串口屏电路设计，当没有垃圾投入时，屏幕播放垃圾分类相关知识视频，当检测到垃圾投入时屏幕立即显示垃圾相关信息，以宣传垃圾分类的重要性。

1 系统硬件电路设计

1.1 设计思路

生活智能垃圾分类系统的垃圾识别系统是由摄像头OpenMV,STM32F103ZET6 单片机主控芯片，二维云台，满载检测，串口屏显示组成。

生活智能垃圾分类系统的工作原理：整个电路通电之后，对单片机的复位引脚施加一个信号，使整个系统处于初始化状态，等待垃圾投放时串口屏会重复播放垃圾分类宣传视频。当有垃圾投放时，二维云台设计了托盘结构，保证了垃圾投放的稳定性，同时OpenMV 会对托盘内的垃圾进行分类识别，将分析得到的数据传递给单片机，单片机判断垃圾类型，控制二维云台把垃圾投入对应垃圾箱内，超声波传感器对箱内垃圾容量进行判断，当垃圾达到设定高度后，单片机收到信息，控制串口屏显示垃圾序号，信息，满载情况。系统组成框图如图1 所示。

图1 系统组成框图

1.2 系统器件选择

垃圾分类系统的主控芯片采用的是STM32F103ZET6单片机，板载资源丰富。STM32F103ZET6 搭载了ARM Cortex-M3 32 位处理器，具有较高的性能和低功耗特性。运行主频可高达120 MHz, 有512KB 的Flash 存储器和64KB 的SRAM。它具有广泛的外设接口，包括多个通用定时器、串口通信接口、模拟到数字转换器（ADC）、PWM 控制器、USB 控制器等。还支持多种通信协议，包括SPI、I2C、UART 和CAN，适合连接到不同类型的外部设备和通信总线。

OpenMV 视觉模块[5]是一款性能强大，低成本且开源的电子设备，如图2 所示。OpenMV 采用ARM Cortex-M系列微控制器，配备高质量图像传感器，以及专门的图像处理和计算机视觉硬件单元，同时还提供了一系列用于图像处理、计算机视觉和机器学习的软件库，包括颜色追踪、人脸检测、二维码识别等。强大的集成开发环境OpenMV IDE 能够协助完成编程、调试和更新固件等工作。采用BP神经网络训练模型，训练模型传递给OpenMV，能够保证垃圾识别的准确性，完成垃圾识别的功能。

图2 OpenMV4 H7 plus

二维云台是一种常用于的机器人和摄像设备的旋转机构，它可以实现在水平和垂直方向上的全方位旋转。它通常由两个旋转关节组成，使其能够在水平面和垂直面上进行精确的定位和调整。本系统所选二维云台的旋转角度可达到270 度，完全可以覆盖四个垃圾箱，实现垃圾的精准投放。

超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波脉冲[6]，利用声波的传播速度与距离之间的关系，可以通过测量脉冲的时间差来推断物体与传感器之间的距离。利用这种特性可以在程序上设定超声波传感器的阈值，当垃圾箱内的垃圾的高度达到设定值后，反馈给单片机一个信号，控制串口屏显示垃圾箱中的垃圾存放信息。

1.3 电源

电源模块最核心元件为电池，所选用的电池应满足安全、电池容量大、电池可循环次数多、重量小、体积小等条件，还要根据单片机所需供电电压等级，设计电压等级转换电路。LM2596 电源模块基于LM2596 芯片，该芯片是一款高效率降压稳压器，能够将输入电压降低至较低的输出电压，当输出电流超过一定限制时，芯片会自动降低输出电压，以保护电路和负载。本设计采用2000mAh 锂电池组，可同时输出不同电压，电源采用12V 输入，采用四路输出，5V 输出供电用于二维云台，传感器和串口屏，3.3V 输出用于MCU 和OpenMV，另外两路用于扩展模块电路的供电，电源模块电路如图3 所示。

图3 电源模块电路图

2 总体结构

总体结构有整体框架、垃圾分类结构、满载结构三部分组成，整体结构如图4 所示。

图4 整体结构图

2.1 垃圾投放装置设计

生活智能垃圾分类系统可以识别城市生活中常见的有害垃圾、可回收垃圾、厨余垃圾和其他垃圾等，其中包括个头很小的烟头或者电池，以及矿泉水瓶等形状不一的垃圾，设计的投放装置要保证在分类过程中，垃圾不掉落且平稳的投入相对应的垃圾箱内。

垃圾投放装置安装在总体框架内，该装置应具有良好的承载能力、较强的稳定性和快速反应能力。本系统在二维云台上方加装了一个托盘，用于盛放垃圾，二维云台能够完美地完成相应的动作，托盘采用四方一端开口设计，可以保证垃圾在旋转过程中不掉落，整体动作灵敏，效率较高。二维云台如图5 所示。

图5 二维云台

2.2 满载设计

本系统可以检测垃圾箱内垃圾是否超过80%，需要较强的准确性，满载检测工作是由超声波传感器来完成，只要垃圾容量达到设定的阈值，串口屏就会显示对应垃圾信息，提醒工作人员及时更换垃圾箱，提高资源回收重复利用率。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

当系统通电后，程序初始化运行，二维云台复位到初始位置，等待垃圾投入，串口屏循环播放垃圾分类视频，垃圾投入后，系统协调各模块完成相应动作。系统工作流程如图6 所示。

图6 程序流程图

3.2 上位机软件设计

本系统采用的是USART HMI 软件来对串口屏进行UI界面设计，软件界面简洁，功能完善，操作简单，主界面如图7 所示。USART HMI 软件操作界面最上方一栏为功能区，左上边为组件工具箱，左下为资源区，可以放置各种资源，中间是屏幕的布局区域了，布局区域下面是事件处理区域，可以编写事件处理代码，右上可以添加新的编辑栏，右下为组件的属性栏。在UI 布局界面中可以在最上面设置标题，下方可以布置垃圾的类型，具体垃圾名称，用红绿图标表示垃圾投放成功与否。在垃圾满载时，同样会显示垃圾是否满载的信息。

图7 USART HMI 操作界面

4 系统测试

为了检测智能垃圾分类系统各种功能的可行性，对其展开了一系列测试。

利用OpenMV 视觉模块，可以实现对垃圾的智能识别和分类。首先需要收集垃圾和非垃圾物体的图像数据集，对其进行比对，将收集到的图像进行预处理，处理完之后对图像数据采用深度算法学习，建立训练模型。导入OpenMV视觉模块后，系统可以快速识别垃圾，判断其所属种类及详细信息，并自动进行垃圾分类处理。整个流程中，OpenMV视觉模块将识别到的样本与数据库中的垃圾样本进行对比分析，经过分析判断后，输出垃圾所属种类。系统会将数据进行量化处理，并经由串口通信传输给系统控制模块，实现对垃圾的精准分类。测试场景效果图8 所示。

图8 测试场景效果图

经过多次测试之后，系统已经能够识别超过20 种垃圾了，且可以在1 分钟实现15 次的垃圾分类。满载检测也会在垃圾容量超过80%时在屏幕上进行显示。具体测试垃圾类型如表1 所示。

表1 垃圾类型

实验结果如表2 所示。

表2 实验测试结果

实验结果表明，垃圾分类投放成功率稳定在97%以上，且垃圾识别分类时间较短，能够满足垃圾的快速分类、投放的功能需求。

5 结语

本设计切实考虑了当代的城市社会发展中垃圾分类的需求，设计的生活垃圾智能分类系统，弥补了传统人工垃圾分类费时费力的难题。该设计完全能够满足智能垃圾分类系统的设计需求，相对于现有的垃圾箱，具有稳定性好，效率高，维护成本低，发展前景好等优势，可以为城市的环境保护和资源回收提供强有力的支持。