以wifi遠(yuǎn)距離模塊為基礎(chǔ)的智能垃圾箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量的提高，科技的高速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題也將逐步惡化，有關(guān)資料顯示，垃圾生產(chǎn)與GDP緊密相關(guān)，隨著GDP的增長(zhǎng)，垃圾產(chǎn)量將進(jìn)一步增加。特別是我國(guó)人口數(shù)量基數(shù)大，平均垃圾產(chǎn)生量非常大，城市的環(huán)境問(wèn)題也成為一個(gè)巨大的問(wèn)題，因此，為了更好地處理垃圾，國(guó)家開(kāi)始提出垃圾分類，以便更好地處理。人生中，并非每一件垃圾都是完全無(wú)價(jià)值的，飲料瓶收集后，可以再熔化鋁，制成鋁制品。怎樣有效地分類處理這類垃圾，是當(dāng)前治理城市環(huán)境問(wèn)題的首要任務(wù)。于是分類處理垃圾，誕生了一種用不同垃圾箱來(lái)分類的垃圾，在大街上放置不同的垃圾箱來(lái)收集不同的垃圾，現(xiàn)在街上的主流垃圾箱分為“可回收垃圾”桶和“不可回收垃圾”垃圾箱。如今是高科技智能時(shí)代，在垃圾分類中采用人工智能，當(dāng)不知道具體垃圾的具體分類時(shí)，垃圾箱自動(dòng)幫助選擇。

討論了智能垃圾箱，在OpenMV的基礎(chǔ)上，利用OpenMV技術(shù)，串口通訊把信息傳送到Arduino單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理后，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，打開(kāi)相應(yīng)的垃圾箱，自動(dòng)分類垃圾。通過(guò)與Arduino的通訊，可實(shí)時(shí)觀察垃圾桶當(dāng)前狀況，及時(shí)更換垃圾袋。該系統(tǒng)主要依靠模塊間的wifi串口通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用OpenMV采集圖像信息，發(fā)送到Arduino單片機(jī)處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后控制舵機(jī)選擇對(duì)應(yīng)的垃圾槽。

其硬件結(jié)構(gòu)主要包括：OpenMV采集模塊、分類模塊、微處理器、通訊模塊、舵機(jī)、電源模塊。在該系統(tǒng)中，OpenMV對(duì)垃圾顏色進(jìn)行采集，提取顏色信息，通過(guò)串口通訊傳輸?shù)紸rduino單片機(jī)，并與舵機(jī)連接，控制垃圾箱的轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)的圖像采集模塊主要采用OpenMV攝像機(jī)，以串口通訊方式與Arduino單片機(jī)相連接，并傳送相應(yīng)的顏色參數(shù)，以控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)并開(kāi)啟相應(yīng)的分類垃圾槽。為OpenMV與圖像采集模塊之間的通訊結(jié)構(gòu)。OpenMV4H7是本文選用的攝像機(jī)模塊，采用STM32H743集成，主頻為400M，內(nèi)存2M，運(yùn)行速度較快，而且與OpenMV3相比，具有更多可選鏡頭，并且易于更換。

系統(tǒng)選型出cv520wifi遠(yuǎn)距離模塊，硬件接口豐富，可滿足本設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)傳輸需求。可以接受串口數(shù)據(jù)，WiFi輸出數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前垃圾箱的具體狀況。CV520采用三種模式，即STA、AP和STA+AP模式。使用ArduinoIDE，可以輕松地添加CV520庫(kù)模塊。在添加庫(kù)之后，使用Arduino與CV520wifi遠(yuǎn)距離模塊針腳實(shí)現(xiàn)串行通訊，數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，監(jiān)控垃圾箱內(nèi)情況。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過(guò)PWM波形控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并利用Arduino控制轉(zhuǎn)動(dòng)角。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)力矩大，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，且易于操縱舵機(jī)，編程簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。轉(zhuǎn)向裝置也包括伺服電機(jī)(電機(jī)、傳感器和控制器)的整體系統(tǒng)，價(jià)格低廉，節(jié)省智能垃圾箱的成本。

為便于分類，設(shè)計(jì)選擇了環(huán)形回轉(zhuǎn)式垃圾桶，將垃圾桶分成3個(gè)槽，每個(gè)槽套上不同的垃圾袋。如果垃圾經(jīng)過(guò)OpenMV攝像頭檢測(cè)到，對(duì)顏色信息進(jìn)行處理，再將處理好的信息送至Arduino單片機(jī)，Arduino單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，控制帶動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，使槽到達(dá)垃圾箱入口，這樣就循環(huán)利用了垃圾，根據(jù)生活規(guī)律還可以劃分大小不同的垃圾區(qū)域，使空間更加適用，不造成空間浪費(fèi)。

智能垃圾圖像分類算法。系統(tǒng)主要由三部分組成，一部分是圖像的采集與獲取，其中以O(shè)penMV搭載的攝像機(jī)為主體，能夠?qū)鴪D像進(jìn)行提取；其次是信息的加工與預(yù)處理，是圖像處理的核心。這個(gè)部分也由OpenMV處理，向Arduino傳遞信息，為隨后的垃圾箱工作提供基礎(chǔ)，是圖像處理的核心；第三部分是識(shí)別分類的過(guò)程，把前一步的信號(hào)轉(zhuǎn)化為垃圾箱能夠識(shí)別的信號(hào)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它由輸入層、隱層和輸出層組成，各層間的連接用權(quán)值表示。BP網(wǎng)絡(luò)需要解決的主要問(wèn)題是算法，傳統(tǒng)的BP學(xué)習(xí)算法是小二乘方法。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)灰度像素進(jìn)行識(shí)別，通常由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層、隱藏層和輸出層開(kāi)始。輸入層設(shè)計(jì)：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量通常取決于問(wèn)題求解的影響因素。在圖象識(shí)別中，影響系數(shù)是圖象識(shí)別的特點(diǎn)。這樣，設(shè)計(jì)網(wǎng)中的輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)就等于使用了圖像識(shí)別功能。

輸出層設(shè)計(jì)：輸出層結(jié)點(diǎn)數(shù)目由輸出值表示方式?jīng)Q定，本文要確定輸出層的神經(jīng)元，必須設(shè)定目標(biāo)的分類。隱層設(shè)計(jì)：在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用S型函數(shù)的情況下，如果節(jié)點(diǎn)為隱含層，就可以解決決策分類問(wèn)題。增大屏幕層數(shù)可以進(jìn)一步減少誤差和提高準(zhǔn)確度，但是也會(huì)使網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜，同時(shí)也增加了訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的時(shí)間。所以，在沒(méi)有特殊要求的情況下，本文選擇單隱層。

利用OpenMV軟件，可通過(guò)攝像機(jī)自帶相機(jī)對(duì)色塊進(jìn)行識(shí)別，經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練，將色塊記錄下來(lái)。在OpenMVIDE中，通過(guò)串口向Arduino單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，其中有很多程序可以查找色塊，文章舉一個(gè)尋找單色塊的例子。

該功能主要用于設(shè)計(jì)find_blobs函數(shù)，可通過(guò)find_blobs函數(shù)查找。設(shè)定色彩閾值，可定義多種顏色列表或單色，并根據(jù)情況選擇相應(yīng)的閾值。假定填充的是紅色色塊的閾值，程序運(yùn)行后，會(huì)發(fā)現(xiàn)跟蹤到的紅色色塊已被識(shí)別，紅色區(qū)域全部被框出，可通過(guò)IDE自帶顏色門(mén)限工具將其計(jì)算出門(mén)限，并將其輸入thresholds函數(shù)。如：需要觀察紅色旁的綠色色塊，只需進(jìn)入閾值工具，拖動(dòng)滑塊將除綠以外的所有顏色全部變?yōu)楹谏旅娴腖AB閾值是需要填充的參數(shù)。填入?yún)?shù)后，再次運(yùn)行程序，即可找到所需的顏色塊，綠色部分已選定。經(jīng)多次訓(xùn)練后，可得到由多個(gè)色塊代表的垃圾閾值，統(tǒng)計(jì)出顏色閾值，通過(guò)串口發(fā)送到Arduino微控制器。當(dāng)門(mén)限信息被Arduino單片機(jī)接收后，通過(guò)串口通訊，使舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，打開(kāi)不同的分類箱。

Arduino的編程方式類似于C語(yǔ)言，就是舵機(jī)操作程序，當(dāng)串口收到數(shù)據(jù)時(shí)，就可以控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，開(kāi)啟相應(yīng)的回收器。

OpenMV與Arduino通訊非常簡(jiǎn)單，采用串口3的方式。在OpenMV觀測(cè)到色塊信息時(shí)，Arduino接收信息到計(jì)算機(jī)，并通過(guò)發(fā)送色塊中間坐標(biāo)進(jìn)行顯示。因此，ArduinoMega的邏輯是：讀取softSerial的數(shù)據(jù)(json)，然后將其解析為數(shù)組，發(fā)送到Serial(計(jì)算機(jī))。舉例來(lái)說(shuō)：要查找黃色色塊，發(fā)送中心坐標(biāo)給Arduino以用于數(shù)組處理和顯示。當(dāng)Arduino接收到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值相等時(shí)，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的度數(shù)，就能完成串口通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的垃圾桶的通信。COM口會(huì)顯示發(fā)送的數(shù)值。

利用wifi遠(yuǎn)距離模塊，可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)垃圾箱的當(dāng)前狀況。當(dāng)垃圾箱滿了或出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)亮起來(lái)，同時(shí)將信息傳送到APP。由于Arduino的串口需要接入主機(jī)的Labview顯示，所以選擇了軟串口將wifi遠(yuǎn)距離模塊連接起來(lái)。

利用VISA串口，與單片機(jī)相連獲取數(shù)據(jù)顯示，接收到OpenMV跟蹤圖像信息，利用Labview上位機(jī)上顯示的數(shù)據(jù)，可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)垃圾箱的運(yùn)行情況和狀態(tài)。從Labview觀察OpenMV串口當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)的情況。

在OpenMV垃圾分類的基礎(chǔ)上，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立垃圾分類模型，OpenMV對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，再由Labview顯示與調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾進(jìn)行分類。研究了垃圾分類技術(shù)，分析了目前智能垃圾箱的現(xiàn)狀，建立了一種基于OpenMV技術(shù)的垃圾分類垃圾箱，改造垃圾箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)硬件控制電路，采用OpenMV實(shí)現(xiàn)圖像處理，對(duì)垃圾進(jìn)行特征提取，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)樣本進(jìn)行輸入，完成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。采用wifi遠(yuǎn)距離模塊串口通訊方式，將系統(tǒng)串聯(lián)起來(lái)，完成智能分類垃圾桶的設(shè)計(jì)。