智能废电池回收系统的设计

高 渊，景鹏强，刘雨晴，董军堂

（延安大学，陕西 延安 716000）

0 引 言

随着电子技术水平的逐渐提升，电子产品的需求越来越大，电池的生产与使用量也日益增长，电池的应用已经遍及到生活的各个方面。人们在享受科技成果带来的便利时，也同样受到了废旧电池的危害[1]。电池使用后如果未能及时回收处理，会对环境造成极大的污染，为减少废电池对环境造成的危害，本文根据当下机器视觉的研究[2]，设计了一种智能废电池回收系统，解决了回收废电池难的问题。

1 硬件设计

1.1 电路设计

本文设计的智能废电池回收系统主要利用单片机STM32来控制红外检测模块、显示模块、语音播报模块等硬件电路，实现检测废品投入、显示并播报投入废电池的种类和数量的功能；TensorFlow训练树莓派进行机器视觉的深度学习，完成识别废电池的功能，其组成框图如图1所示。

图1 系统主电路框图

1.2 树莓派

本设计采用树莓派4B，其特点是与前代产品相比具有更多更快的RAM，需要一个5 V/3 A的电源适配器进行供电[3]。树莓派由STM32控制，当检测电路检测到有物品投入，主控控制树莓派开启进行机器视觉识别，判断是否是废电池，并将判断结果返回给STM32[4]。

1.3 STM32主控模块

本设计采用STM32F107芯片，标准外设包括十个定时器、两个12位模数转换器和两个12位数模转换器、五个USART接口和三个SPI端口，可以满足本设计的主控需求。

本设计主要通过STM32控制红外检测模块、显示模块和语音播报模块。当检测电路传感器检测到有废品投入时，STM32控制树莓派开启机器视觉识别进行废电池的判断，并将判断结果返回给STM32，STM32通过判断树莓派返回信息控制显示和语音电路，显示并播报电池种类和数量[5]。

1.4 检测电路设计

检测电路采用电感式传感器和光电耦合器进行红外检测，如图2所示。当传感器检测到有废品投入时，信号通过光电耦合器分离，74LS08驱动后进入STM32进行处理；当传感器检测到系统中废品数量已满时，单片机会控制语音播报模块发声提醒。

图2 检测电路

1.5 显示模块

显示模块采用与STM32配套的TFT-LCD屏幕，主要用来显示本次投入废电池的种类和数量。TFT为薄膜晶体管液晶显示屏，主要的构成包括背光源、导光板、扩散膜、棱镜膜、配向膜、薄膜晶体管等，TFT屏幕的所有像素点都是由薄膜晶体管来驱动，显示色彩鲜艳逼真，生产经济环保[6]。TFT屏幕的组成结构如图3所示。

图3 TFT屏幕

1.6 语音模块

语音模块主要实现播报投入废电池的种类和数量的功能，当检测电路检测到系统中废品数量已满时，语音模块也会进行蜂鸣提醒。

2 软件设计

软件部分主要分为STM32控制和树莓派识别两个部分。当检测电路检测到有废品投入时，为提升识别速率，单片机控制树莓派启动，每隔2 s进行一次拍照识别，若识别是0即不是废电池，循环进行废品检测；若识别是1即是5号、7号、扣式电池等一次性干电池；若识别是2即是可充电的铅酸蓄电池、镍氢充电电池、锂离子电池等二次电池，树莓派将数据传给单片机，进而控制显示电路和语音电路显示并播报电池种类和数量。主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程

2.1 TensorFlow

TensorFlow是一个基于数据流编程的符号数学系统，被广泛应用于各类机器学习、深度神经网络，具有强大的系统通用性，TensorFlow是Python的一个库，但与其他库不同，TensorFlow是一个专门用于表示抽象计算的框架。本设计利用TensorFlow结合其他库完成工作[7]。

2.2 目标检测网络与数据集

本设计通过网络收集和自己拍摄图片组成废旧电池的数据集，选择了目标检测网络的YOLO v3框架[8]，YOLO v3引入了RCNN的Anchor框架体系大幅提升map，虽丧失了部分精度，但对于全局信息有较好的表现。目标检测网络可以理解为是在传统神经网络上改进的，其结构如图5所示，主要由输入层、隐藏层、输出层组成。其中隐藏层一般不止一层，主要进行多层次的卷积特征提取。目标检测的具体流程为：采集数据、数据预处理、初步提取数据特征、迁移学习、识别测试。

图5 目标检测网络

3 结 语

智能型废品回收系统主要用来识别和分离废电池，在树莓派识别部分通过摄像头拍照和数据集载入两种方式输入图片，当识别为0，则不是废电池；当识别为1，则是一次性干电池；当识别为2，则是二次电池。单片机STM32部分主要实现了检测电路、显示电路、语音检测电路的功能交互。本设计使得识别时间不超过3 s，可以在大部分垃圾中识别出废电池，且对废电池的识别准确率可以达到90%[9-10]，对jpg、png等图片格式都支持。本设计实现了检测废品投入、显示并播报投入废电池的种类和数量的功能，具有转向自由、无人管理等特点。利用该系统在人流量大、电子产品运用多的公共场所回收废品，可以方便高效地回收废电池等可再生的废品资源。