郜 輝，呂志剛，王 賓，毛 琳，王 辛

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710032）

早在2004年中國就已經(jīng)超越美國成為世界第一垃圾制造大國[1]，這些垃圾大多數(shù)通過土埋或者遠(yuǎn)距離堆放，盡管遠(yuǎn)離人們所生活的場(chǎng)所，但也不能完全隔開污染，所造成的污染不會(huì)憑空消失，它們會(huì)在大自然生態(tài)系統(tǒng)的周期性中再次回到生活中，通過可接觸到的種種資源，危害生命健康[2]。

垃圾分類檢測(cè)裝置能大幅度提高垃圾的轉(zhuǎn)換效率[3]，能夠讓垃圾在投入時(shí)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)分類，進(jìn)而能夠?yàn)槔耐斗?、轉(zhuǎn)運(yùn)、回收處理提高一定的效率，可節(jié)省土地，減少焚燒污染，資源回收可利用更便利化[4]。

通過對(duì)垃圾種類的辨別，在此設(shè)計(jì)了一套智能垃圾分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)智能垃圾分揀裝置和一個(gè)服務(wù)器，智能垃圾分揀裝置負(fù)責(zé)檢測(cè)垃圾并對(duì)垃圾進(jìn)行分類，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行上傳，服務(wù)器負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)垃圾數(shù)據(jù)，有助于對(duì)居民生活狀態(tài)進(jìn)行分析。智能垃圾分揀系統(tǒng)能有效提高垃圾回收效率，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的，減少環(huán)衛(wèi)工人的工作難度，同時(shí)可提高資源的可回收利用，對(duì)生態(tài)環(huán)境有著重大作用。

1 智能垃圾分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

通過分析常見垃圾的種類，以及世界各類智能垃圾桶發(fā)展的趨勢(shì)，該系統(tǒng)對(duì)日常常見垃圾進(jìn)行了分類，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了智能垃圾分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。該指標(biāo)具體如下：①實(shí)現(xiàn)4 類垃圾（可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾）的檢測(cè)；②檢測(cè)時(shí)間不超過5 s；③檢測(cè)后的顯示結(jié)果清晰直觀；④可自動(dòng)對(duì)垃圾進(jìn)行分類投放；⑤服務(wù)器可存儲(chǔ)垃圾分類信息。

在此，通過對(duì)城市居民生活中常見垃圾的顏色、氣味、導(dǎo)電性、含水分程度進(jìn)行參考研究，綜合國內(nèi)外智能垃圾桶的調(diào)查研究結(jié)果[5]，選定了可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾等4 類垃圾為檢測(cè)對(duì)象。這4 類垃圾物理特性分析見表1。

表1 四類垃圾物理特性分析Tab.1 Analysis of physical characteristics of four types of garbage

可回收垃圾主要包括塑料、玻璃、金屬等，其中金屬類可回收垃圾可直接測(cè)量判定，塑料與玻璃可回收垃圾可通過垃圾透明度進(jìn)行判定；廚余垃圾主要包括剩菜剩飯、菜根菜葉、果皮等，可通過檢測(cè)垃圾濕度進(jìn)行判別；有害垃圾主要包括廢電池、廢日光燈、廢水銀溫度計(jì)等，可通過既包含金屬成分，又包含其他材料進(jìn)行判別；其他垃圾，主要有磚瓦陶瓷、渣土等，可通過檢測(cè)垃圾密度進(jìn)行判別。

2 智能垃圾分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 芯片作為主控芯片，由金屬傳感器、透明度傳感器、濕度傳感器、質(zhì)量傳感器、GPS 定位模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、服務(wù)器端、電機(jī)控制模塊組成。垃圾投入智能垃圾分揀裝置后，傳感器模塊按順序動(dòng)作，將所測(cè)得信號(hào)傳至STM32 單片機(jī)，經(jīng)判斷后檢測(cè)出所屬垃圾分類，通過顯示模塊顯示分類結(jié)果，通過報(bào)警模塊提示垃圾屬于4 類垃圾之外的垃圾，通過電機(jī)控制模塊分類投放垃圾，通過服務(wù)器端顯示垃圾分類數(shù)據(jù)。智能垃圾分揀系統(tǒng)總體硬件如圖1 所示。

圖1 智能垃圾分揀系統(tǒng)總體硬件框圖Fig.1 Overall hardware block diagram of intelligent garbage sorting system

2.1 金屬傳感器模塊

金屬傳感器模塊為智能垃圾分揀系統(tǒng)的檢測(cè)模塊之一，用于判斷所測(cè)物體是否為金屬，當(dāng)有金屬垃圾靠近時(shí)，金屬傳感器的指示燈就會(huì)亮；在振蕩器中會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬垃圾內(nèi)產(chǎn)生渦流就會(huì)使金屬振蕩器減弱，直至停止振蕩。這個(gè)從振蕩到停止振蕩的過程讓后級(jí)放大電路轉(zhuǎn)成了開關(guān)信號(hào)，從而檢測(cè)到是否有金屬類垃圾。此類檢測(cè)無需接觸，檢測(cè)距離為4 mm。在此所采用的LJ12A3-4-Z/BX電感式金屬傳感器響應(yīng)量變化程度高，響應(yīng)時(shí)間短，抵抗外部干擾性強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠，大部分以黃銅鍍鎳探頭為主。金屬傳感器模塊電路連接如圖2所示。

圖2 金屬傳感器模塊電路連接Fig.2 Circuit connection of metal sensor module

2.2 透明度傳感器模塊

透明度傳感器為智能垃圾分揀系統(tǒng)的檢測(cè)模塊之一。該傳感器采用紅外對(duì)管，用于識(shí)別物體透明度，檢測(cè)是否為塑料、玻璃類垃圾。當(dāng)塑料、玻璃類有透明度的垃圾進(jìn)入紅外對(duì)管傳感器的檢測(cè)范圍時(shí)，紅外對(duì)管的發(fā)射端發(fā)射光束，接收端來接收光束，接收端判斷收到的光線亮或不亮，以此檢測(cè)塑料與玻璃類有透明度的垃圾。透明度傳感器還用于檢測(cè)每個(gè)垃圾桶是否已滿，如果裝滿則通知工作人員來處理垃圾。透明度傳感器電路連接如圖3所示。

圖3 透明度傳感器電路連接Fig.3 Transparency sensor circuit connection

2.3 濕度傳感器模塊

濕度傳感器為智能垃圾分揀系統(tǒng)的檢測(cè)模塊之一，用于對(duì)果皮、剩菜剩飯等垃圾進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)垃圾是否有含水分。該檢測(cè)采取接觸式檢測(cè)，以達(dá)到測(cè)量更為準(zhǔn)確的目的。該傳感器部分設(shè)計(jì)有可調(diào)變阻器，可以通過調(diào)節(jié)該變阻器來調(diào)節(jié)濕度的閥值。濕度傳感器電路連接如圖4 所示。

圖4 濕度傳感器電路連接Fig.4 Circuit connection of humidity sensor

2.4 質(zhì)量傳感器模塊

質(zhì)量傳感器為智能垃圾分揀系統(tǒng)的檢測(cè)模塊之一，用于檢測(cè)垃圾的密度，以區(qū)分是否為其他垃圾。該設(shè)計(jì)采用電子稱變送器模塊，DC 5 V 供電，RS485 輸出，工作電流小于10 mA，最大可測(cè)量10 kg的物品。對(duì)固定體積的垃圾測(cè)量重量，以計(jì)算垃圾的密度。質(zhì)量傳感器模塊電路連接如圖5 所示。

圖5 質(zhì)量傳感器模塊電路連接Fig.5 Circuit connection of mass sensor module

2.5 顯示模塊

通過單片機(jī)傳遞的信號(hào)顯示當(dāng)前測(cè)量結(jié)果，顯示當(dāng)前垃圾屬于什么垃圾。經(jīng)傳感器檢測(cè)，若為此類垃圾則顯示所對(duì)應(yīng)垃圾種類的漢字。顯示模塊由TFT-LCD 顯示屏來顯示漢字。顯示模塊電路連接如圖6 所示。

圖6 顯示模塊電路連接Fig.6 Display module circuit connection

2.6 報(bào)警模塊

當(dāng)一系列傳感器檢測(cè)完后，若都不屬于上述4類垃圾，則蜂鳴器發(fā)出滴聲。報(bào)警模塊電路連接如圖7 所示。

圖7 報(bào)警模塊電路連接Fig.7 Circuit connection of alarm module

2.7 GPS 定位模塊與服務(wù)器端

GPS 定位模塊檢測(cè)垃圾桶的位置，并將GPS 定位信息通過RS232 串口上傳到服務(wù)器端。服務(wù)器端用來處理智能垃圾分揀系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各種垃圾的數(shù)據(jù)及比例，并在上位機(jī)軟件上面進(jìn)行顯示，便于工作人員統(tǒng)計(jì)垃圾數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過RS232通信，將垃圾檢測(cè)信息上傳至服務(wù)器端，RS232 通信模塊電路連接如圖8 所示。

2.8 電機(jī)控制模塊

檢測(cè)出垃圾種類后，STM32 主控模塊會(huì)控制電機(jī)控制模塊將垃圾投放到對(duì)應(yīng)的垃圾桶內(nèi)，使垃圾達(dá)到分類處理的目的。該系統(tǒng)采用ULN2003 芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，通過四線制的脈沖信號(hào)以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)控制模塊電路連接如圖9所示。

圖8 RS232 通信模塊電路連接Fig.8 RS232 communication module circuit connection

圖9 電機(jī)控制模塊電路連接Fig.9 Motor control module circuit connection

3 智能垃圾分揀系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)垃圾投置于智能垃圾分揀裝置內(nèi)時(shí)，垃圾需要處在5 種傳感器檢測(cè)模塊都能檢測(cè)到的范圍中，此時(shí)再按下開啟按鍵。當(dāng)按鍵按下后，認(rèn)為有垃圾投入智能垃圾分揀裝置中，則將開始一輪檢測(cè)：金屬傳感器先進(jìn)行檢測(cè)，如果含有金屬，則繼續(xù)判斷是否含有其他材料，若含有其他材料則視為有害垃圾，若不包含其他材料則為可回收垃圾；如果不包含金屬材料，則判斷是否為透明垃圾，若為透明垃圾則作為可回收垃圾，如果不是透明垃圾，則判斷垃圾是否是濕的；若為濕的則為廚余垃圾，如果垃圾不是濕的，則判斷垃圾密度，密度大的為其他垃圾，密度小的為未知垃圾。垃圾分類檢測(cè)完成后，電機(jī)控制模塊將垃圾投放到相應(yīng)的垃圾桶中，并將垃圾桶位置信息、垃圾桶裝滿信息、垃圾種類信息、數(shù)量信息上傳至服務(wù)器端。智能垃圾分揀系統(tǒng)總體軟件流程如圖10 所示。

4 智能垃圾分揀系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計(jì)

在OneNET 開發(fā)平臺(tái)上，使用模塊化編程對(duì)智能垃圾分揀系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。服務(wù)器主要功能如下：獲取可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾、 未知垃圾的垃圾數(shù)量及各個(gè)垃圾的占比信息，服務(wù)器可以顯示智能垃圾分揀裝置是否裝滿，還可以顯示智能垃圾分揀系統(tǒng)的位置信息，垃圾裝滿后會(huì)在服務(wù)器報(bào)警，可以指派工作人員對(duì)垃圾進(jìn)行處理。智能垃圾分揀系統(tǒng)服務(wù)器端界面如圖11所示。

圖10 智能垃圾分揀系統(tǒng)總體軟件流程Fig.10 Overall software flow chart of intelligent garbage sorting system

圖11 智能垃圾分揀系統(tǒng)服務(wù)器端界面Fig.11 Interface of intelligent garbage sorting system server

5 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的智能垃圾分揀系統(tǒng)，包括1 個(gè)智能垃圾分揀裝置和1 個(gè)服務(wù)器。該系統(tǒng)可以幫助人們高效的分揀回收垃圾。智能垃圾分揀裝置采用STM32作為主控制器，通過各種傳感器自動(dòng)檢測(cè)垃圾種類，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)將相應(yīng)垃圾放進(jìn)對(duì)應(yīng)的垃圾桶中，在智能垃圾分揀裝置上顯示垃圾檢測(cè)結(jié)果，并將垃圾桶位置信息、垃圾桶裝滿信息、垃圾種類信息、數(shù)量信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)上傳到服務(wù)器，通過對(duì)垃圾數(shù)據(jù)處理分析居民的生活狀態(tài)。智能垃圾分揀系統(tǒng)能有效提高垃圾回收效率，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的，減少環(huán)衛(wèi)工人的工作難度，同時(shí)可提高資源的可回收利用對(duì)生態(tài)環(huán)境有著重大作用。