基于OpenMV的垃圾袋自动封口及换袋装置
时间：2022-11-15 14:05:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
田江涛，王桥，杨娅婷，张春海，王希望，李光双
（贵州师范学院 数学与大数据学院，贵州贵阳，550018）
近些年来，社会迅猛发展，很多日常生活用品都朝着智能化的方向发展，传统的垃圾桶已经不能满足用户日常生活的需求，易滋养细菌、传播疾病、污染环境是垃圾桶发展中常见的一类障碍，能够抑制病菌的传播,保护人体健康,防止有机垃圾的腐烂变质就成为了用户对于新型行垃圾桶的一大需求，对于与用户针对用户需要花费时间在自己打开垃圾箱盖，自己动手套垃圾袋、以及动手打包垃圾袋而言，基于OpenMV的垃圾袋自动封口及换袋装置在减少用户精力耗费方面起了很大作用。
本文主要介绍一种基于OpenMV的垃圾袋自动封口及换袋装置，此产品以STM32F103系列单片机为核心控制器，使用Micro Python语言对人体目标识别与追踪算法进行研究，捕捉到人体丢垃圾的动作。系统设计基于人机工程学原理，结合人机关系，设计了能实现套袋、自动打包、推袋等主要过程自动化的垃圾桶。将该装置满足性价比高、绿色环保等特性要求。
基于OpenMV的垃圾袋自动封口及换袋装置以单片机为核心控制器，采用STM32F103C8T6为主控芯片，它的串口实时与WTGPS+BD定位模块交互，系统由电源模块、OpenMV摄像头模块、OLED模块等组成，OpenMV是一个可编程OpenMV 摄像头，使用Micro Python语言进行编程，有良好的开源环境，能够为方便地运用多种图像处理并进行简单的图像分析。此外，此产品以STM32F103系列单片机为核心控制器，使用Micro Python语言对人体目标识别与追踪算法进行研究，捕捉到人体丢垃圾的动作。系统设计基于人机工程学原理，结合人机关系，设计了能实现套袋、自动打包、推袋等主要过程自动化的垃圾桶。该装置保护人体健康同时，还抑制病菌的传播、防止有机垃圾的腐烂变质，给人们带来极大便利。实现自动封口，力求使用的避免用手接触垃圾，有效防止细菌通过手传播。垃圾袋自动封口及换袋装置的总体框图如图1所示。
图1 硬件总体框架示意图
■2.1 核心控制器
本文自动封口及换袋装置以STM32F103C8T6芯片为核心控制器，能使多功能行李箱的成本降到最低，且实现的功能非常多，还有一个好处就是，它可以直接调用STM32系列的单片机的官方提供的库文件，对于本文自动封口及换袋装置的软件编程非常方便。此外，单片机的工作电压为2V～3.6V，其工作温度为零下四十摄氏度至八十五摄氏度，对于极寒天气和高温天气而言，单片机实现的功能不会极端受天气影响，多功能行李箱可以正常使用。在本文的行李箱中，STM32单片机控制着整个箱体所有的功能模块，实现本文自动封口及换袋装置的自动化。图2为部分主板电路原理图。
图2 部分硬件电路原理示意图
■2.2 OpenMV摄像头模块
OpenMV是一个开源，低成本，功能强大的机器视觉模块。以STM32F767CPU为核心，集成了OV7725摄像头芯片，在小巧的硬件模块上，用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，提供Python编程接口，如图3所示。
图3 摄像头模块示意图
OpenMV核心部分就是STM32F767，外加上外围电路模块以及摄像头模块就组成做基本常见的应用了。在本项目中，我们使用的OpenMV使用了usb接口，其优点在于，usb数据线常见，且原理简单，容易理解。该摄像头模块也外置了I/O口，可以进行为此开发；
相应的，也增加了SD卡以及以及LED小灯。在本项目中，该模块就大大减少了我们的工作量，相应的也节约了我们开发的成本。
OpenMV在本项目中担任着重要的角色，功能主要是识别不同颜色和形状的垃圾。IDE使用的是OpenMV IDE,图像的识别可以采用动态采集的方式，前提是我们预先测量好一组openMV当前可视化的环境，当摄像头采集到图片之后呢，再与openMV所测量训练好的标准作对比，得到相应的信息，之后编辑一个串口发送函数将识别到的信息发送给主控STM32F103C8T6，作相应的垃圾处理：除此之外，该模块还可以长期开机工作，时时检测装置当前的可视范围内的状态。
■2.3 zigbee模块
Zigbee模块 是一个由可多到65000个无线数传模块无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee模块网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；
每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；
另外整个Zigbee模块网络还可以与现有的其它的各种网络连接。
每个Zigbee网络由一个协调器，N个路由器或者是N个终端节点构成。所谓协调器就是我们的创建者，这是必须要有的，因为要组成一个网络，必须得要有一个主节点。路由器的特点就是存储转发，当主机发送报文时，先将报文分段，再在每一段前面加上首地址，发送到路由器中，路由器接收到每一个报文段，就查找路由表，查找到目标地址，之后再将报文段进行转发，因此路由器起的作用就是存储转发，终端节点功能主要是用来收发数据。
在本项目中，Zigbee主要的功能时将接收到的数据通过Zigbee协议发送到对应的Zigbee模块，对应的模块接收到无线数据之后，进行相应的处理，通俗来说，就是两块Zigbee模块进行透明传输，两个模块之间相当于就是一条串口线。主要功能路线如图4所示。
图4 zigbee通讯原理示意图
■2.4 0.96寸OLED模块
OLED的适用场景特别的广，在电子手表，还有其他的电子DIY上面也是非常常见。在本次的项目中呢，OLED主要是用来作一个简单的显示，目前装置的运行状态，比如当每个功能运行时，OLED就会作相应的显示，当装置处于空闲状态时，OLED上面就显示相应的空闲状态。
■2.5 电池
本文多功能行李箱在给STM32及其他一些外部电路和电子元件供电采用的是航模电池，航模电池的本质是锂离子聚合物电池，而锂离子聚合物电池是今后二次电池的发展的方向，航模电池的相对优势是内含能量高、重量轻、型号较多。于形状方面而言，航模电池轻薄化的一大特征可以迎合用户的诸多需求，可以制成一些市面上难以见到的电池。在实际应用中，航模电池常用于航模飞机等玩具模型的供电，由此可见它的效率和安全性都高。
■3.1 OpenMV识别程序
该部分主要由运行在OpenMV上的Python算法对各种颜色的垃圾进行识别。摄像头采集到相应的图片信息之后，利用算法对采集到的图片进行分析识别，得到垃圾与OpenMV之间的距离以及垃圾颜色，判断垃圾的距离是否在程序所设计的范围内，并打印测量距离的结果以及信息。在OpenMV上编写串口的Python程序，通过串口通讯的方式将距离信息发送到CPU，CPU进行距离分析，之后CPU控制相应的硬件作出对应的动作。
部分实现程序如下所示：
Lm = (b[2]+b[3])/2
length = K/Lm
if length <= 17:
print(length)
uart.write(“1”)
if length>17:
print(length)
uart.write(“2”)
length为测量的距离，print为打印距离的函数，uart.write为串口输出函数。
图5 软件实现原理示意图
■3.2 zigbee进行两两通讯
在本项目中，Zigbee主要的功能时将接收到的数据通过Zigbee协议发送到对应的Zigbee模块，对应的模块接收到无线数据之后，进行相应的处理，通俗来说，就是两块Zigbee模块进行透明传输，两个模块之间相当于就是一条串口线。
在本项目中，我们将使用两个zigbee模块，一个安装在装置上作为发射端，一个作为接收端终端显示。具体功能如下：当我们的垃圾箱垃圾超出了设定的量时，传感器就会将信息传递给单片机，单片机再将信息传递给发送端zigbee模块，发送端就将信息无线传输发送给接收端，接收端就进行报警，此时工作人员就可以对相应的垃圾箱作垃圾的清理。
基于OpenMV的垃圾袋自动封口及换袋装置系统测试主要分为两个部分：硬件测试和软件测试。硬件测试从电路开始检测，首先使用万用表检测各个电路是否有短路，之后整体测试。只有保证各个元器件完好，系统才能稳定工作。软硬协同测试首先，将搭建好的硬件电路协同软件代码测试，在（编译软件）里编写代码，代码无误后烧写代码，之后便可显示代码运行情况。接着测试步进电机和主板电路，将调试好的代码烧进主板，步进电机能正常工作。
之后测试OpenMV模块，当将人体手势的图片存放在工程里，测试结果：摄像头采集到图片之后，与存储的图片做对比，利用特征匹配相似度匹配到对应的手势图片，之后将识别到的信息发送给主控，这一工作流程无误。最后测试Zigbee模块。使用两个zigbee模块，一个安装在装置上作为发射端，一个作为接收端终端显示。测试结果：当垃圾箱垃圾超出了设定的量时，传感器就会将信息传递给单片机，单片机再将信息传递给发送端zigbee模块，发送端就将信息无线传输发送给接收端，接收端就进行报警，此时工作人员就可以对相应的垃圾箱作垃圾的清理。
目前，本文的自动封口及换袋装置解决了目前市面上传统的垃圾桶普遍存在的一些问题，用户在套袋、打包垃圾的时候更加轻便快捷，同时本文的自动封口及换袋装置具有自动开关盖功能，当前本文自动封口及换袋装置经过多次改进与测试，自动封口及换袋装置的工作性能非常稳定，而且功能实现的效果良好。在这个生活节奏较快的时代，自动封口及换袋装置一定是垃圾处理的一大帮手。如果用户处理垃圾时使用本文的自动封口及换袋装置，用户的出行会非常轻松。此外，本文的自动封口及换袋装置具有很广阔的市场前景，在未来一定能够占据市场的一大份。本文的自动封口及换袋装置能给人们工作和生活中提供便利，减少了用户因为处理垃圾而产生的的焦虑，给用户带来舒心的每一天。
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