一种新型快捷的智能垃圾归类装置_陈建姣.pdf
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1、56|电子制作 2023 年 3 月智能应用0 引言中国是人口大国,又是废物制造大国,由于人民水平提高,中国废物总量在持续增长1。据统计,目前每年全国的固体废弃物的规模已达到了 21 亿吨2,2021 年全国的日常垃圾处理总量预计为 27119 万吨,垃圾分类处理行业处理量约为 2.69 亿吨,较 2020 年增长了 5.49%。对于这样巨大的废弃物总量,环境保护也成了“低碳生活”概念的一个做法3,目前解决废弃物的减量性、无害性和资源性质已迫在眉睫。面对可循环利用再生资源的分类回收主要靠人工回收、分拣,存在回收费时费力、易造成再次污染等问题4,本文提出了一种关于人工智能应用的垃圾归类装置,其具
2、体装置模型如图 1 所示。相比传统的人工分类,该垃圾归类装置减少了因知识水平受限不懂分类和后续分类流程缺失的问题,其从实用性出发,利用 API 技术,机器视觉识别投掷垃圾的垃圾种类,继而利用 PWM 控制舵机翻转,实现最基础垃圾自动归类功能。让高效的智能垃圾归类装置逐步代替效率较低的人工分类,使垃圾能够根据自身的类别,最快被归类到相应的地方,加快垃圾分类的进程,从而最大限度地实现可循环再生利用资源物的集中回收。本文所使用 API接口技术设计的垃圾归类装置运用前景广阔,可以在适当修改结构大小后,运用到个体商铺、住宅、大型集中处理处等各个地方进行分类工作。1 系统硬件设计本系统以人工智能应用下的机
3、器视觉为核心,由主控模块、摄像头驱动及图像识别模块、舵机驱动模块和语音播报模块组成。主控模块启用,当摄像头检测到物品后拍摄记录其信息并经过图像识别判别物品所属垃圾类型,继而舵机驱动挡板翻转。该装置配有三个舵机,一号舵机向不同方向驱动挡板翻转用于区分可回收垃圾、其他垃圾或厨余垃圾、有害垃圾;二号舵机的驱动用于区分可回收垃圾或其他垃圾;三号舵机的驱动则用于区分厨余垃圾或有害垃圾,最终使物品落入相应垃圾桶中,并用语音模块播报完成一次分类。该装置具有识别率较高、操作简便的特点,大部分常见的生活垃圾分类的问题都能通过该装置解决,其硬件设计过程如图 2 所示。1.1 主控模块本系统的处理器采用树莓派 4B
4、,这是一款采用 ARM 的迷你电脑主板,而 4B 在 3B 的基础上,对处理器性能,多媒体特性,内存以及接口方面都进行了突破性的提升。树莓派 4B 的 GPIO 口引脚图如图 3 所示,我们将 GPIO 引脚与驱动板 IO 口插连,由树莓派控制驱动板的 PCA9685,从而驱动三个舵机,执行代码使某一舵机翻转 0180 度。因此,选择的这一处理器拥有装置开发相应的操作系统,功能齐全,能够支持各种外设,应用空间比较广泛,是搭建智能装置系统的理想选择。1.2 摄像头驱动及图像识别模块调用该模块首先开启树莓派原装摄像头 Raspberry camera,检测是否有人投放垃圾,当摄像头检测到有垃圾被投
5、放到挡板上时,自动拍摄图片保存到 cv2 库中,OpenCV 环境下可以对摄像头采集的每一帧数据做处理分析,从而识别物体,运用起来十分高效。然后要实现图像中垃圾类型的识别,需要通过代码验证申请天行 APIKEY,正确后进入访问申请的垃圾分类 API 接口,再将保存在 cv2一种新型快捷的智能垃圾归类装置陈建姣(绍兴文理学院 数理信息学院,浙江绍兴,312000)基金项目:绍兴文理学院校级项目基于机器视觉的垃圾归类装置。摘要:面对居民生活水平提高伴随而来的垃圾产生量骤增且没有规范回收的问题,本文设计了一种能够自主进行垃圾归类的装置。该装置以树莓派4B及驱动板为处理器,首先由摄像头拍下所扔垃圾的照
6、片,将其传入固有路径下的文件夹,利用人工智能应用领域的机器视觉技术,经过程序验证APIKEY后访问链接图像垃圾分类功能的API,使用图像Base64的方式识别后,返回其垃圾名称及类型,驱动PWM控制舵机翻转即可将垃圾归类到相应垃圾箱中,最后通过语音播报提示完成分类。这种分类方式可以减少垃圾分配的工人损伤程度,同时使更多资源可以被重复利用,符合可持续发展战略。关键词:机器视觉;API技术;智能垃圾分类;树莓派主控图 1 装置模型图主控模块执行程序摄像头驱动及图像识别模块记录物品信息并判别类型舵机驱动模块控制舵机翻转语音播报模块提示完成分类图 2 硬件设计框图DOI:10.16589/11-357
7、1/|57智能应用库中的图片用 base64 方式打开,在 API 平台的图像识别接口会检测用户上传的图片中的主体坐标位置,识别完成后会保留返回垃圾的图片、名称和种类。继续返回到cv2 库 中,若 为 OpenCV图片类型则最终在连接的显示屏上输出垃圾的图片及种类名称。1.3 语音播报模块该 部 分 采 用 JQ6500模块外接,连接树莓派任意两个I/O口,如图4所示。用 USB 线连接 JQ6500 和电脑,将准备好的语音下载到模块中,再用串口调试一下指令,调发送数据以十六进制,最后用程序实现语音播报。1.4 舵机驱动模块舵机驱动模块由舵机控制挡板将垃圾投向某一个垃圾桶。该模块由三个 DG-
8、996 舵机组成,分别连接了三块挡板,并由两个轴承支撑,其采用了驱动板的 PCA9685 芯片,该芯片使用 I2C 控制,输出 16 路 12 位分辨率的PWM,可控制输出频率 40Hz 1000Hz。其操作简单,可以连接舵机的棕色线至树莓派的GND,舵机红色线至树莓派的 5V,舵机黄色线连接至树莓派的某一 GPIO 输出端口的 PWM,只需要给芯片控制对应寄存器的值,即可一直输出 PWM 信号,实现树莓派对舵机的驱动。根据 PCA9685 芯片能够独立输出多路可调节的 PWM 波的特点,该模块选取了芯片输出的16 路 PWM 脉冲的 PWM0、PWM1、PWM2 三路,如图 5 所示。将其调
9、整为舵机控制所需的PWM 脉冲,并按要求改变占空比5,控制舵机的旋转方向及转速,在舵机转动后带动挡板将垃圾倒入指定垃圾桶,结束后自动翻转至水平。挡板能够承受大部分垃圾的投掷,较重的垃圾可能会损坏挡板,同时需要定期擦拭清洁。2 系统软件设计该装置利用树莓派 4B 作为处理器,建立OpenCV 环境,当摄像头识别到使用者将物体投掷挡板上时,自动拍下图像,将其保存到固有路径下的文件夹,再通过 Python 接入 API 域口名,由 urllib 链接的2.54-2*20J84040393938383737363635353434333332323131303029292828272726262525
10、242423232222212120201919181817171616151514141313121211111010998877665544332211VCC+5VGNDGNDGPIO2GPIO3GPIO4GPIO5GPIO6GPIO13GPIO14GPIO15GPIO16GPIO17GPIO18GPIO19GPIO20GPIO21GPIO22GPIO23GPIO24GPIO25GPIO26GPIO8GPIO9GPIO10GPIO11GPIO12GPIO27ID_SCID_SDGPIO7(SDA1)(SCL1)(GPIO_GCLK)(GPIO_GEN0)(GPIO_GEN2)(GPIO_G
11、EN3)(SPI_MOSI)(SPI_MISO)(SPI_SCLK)(TXD0)(RXD0)(GPIO_GEN4)(GPIO_GEN5)(GPIO_GEN1)(GPIO_GEN6)(SPI_CE0_N)(SPI_CE1_N)图 3 树莓派 4B GPIO 引脚电路图12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940J1GPIO EXPANSION3V35VGNDGNDGPIO2GPIO3GPIO4GPIO17GPIO27GPIO22GPIO10GPIO9GPIO11ID_SDGPIO5GPIO6GPIO
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