設(shè)計(jì)能夠識(shí)別金屬的垃圾回收系統(tǒng)

張祿

有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2013年我國城市生活垃圾總量已達(dá)1.8億噸，城市生活垃圾堆積量已超過80億噸，侵占土地約5億平方米。預(yù)計(jì)2020年將會(huì)達(dá)到3.23億噸，全國近700座城市中，約有三分之二的城市處于垃圾包圍之中，有四分之一的城市已無適當(dāng)場所堆放垃圾。而生活垃圾中，金屬、紙類、塑料、玻璃可直接回收利用的資源約占垃圾總量的42.9%，大量的可回收垃圾被隨意丟棄，不僅造成了資源的浪費(fèi)，還污染了環(huán)境。2018年1月，教育部辦公廳等六部門下發(fā)《關(guān)于在學(xué)校推進(jìn)生活垃圾分類管理工作的通知》，對(duì)校園內(nèi)垃圾分類管理工作提出了要求;2019年7月1日起，《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》正式實(shí)施，上海市開始了垃圾分類強(qiáng)制時(shí)代。

為在學(xué)校能有效實(shí)現(xiàn)金屬垃圾的再利用，筆者設(shè)計(jì)制作了一款基于Arduino的金屬垃圾回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過Arduino開源硬件進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬垃圾與非金屬垃圾的自動(dòng)分類，從而實(shí)現(xiàn)金屬垃圾更好的回收再利用。

● 金屬垃圾回收系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

首先是金屬垃圾回收系統(tǒng)的外殼設(shè)計(jì)。筆者使用SolidWorks制圖軟件，設(shè)計(jì)金屬垃圾回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)外殼部分——主要是垃圾箱的箱體，包括外殼、兩個(gè)抽屜、傾倒垃圾的搖板以及用于安放控制板的控制盒，設(shè)計(jì)完成的三維模型如圖1所示，左圖為外觀主視圖，右圖為透視圖。整個(gè)結(jié)構(gòu)中較為特殊的是傾倒垃圾的搖板，其采用了船型結(jié)構(gòu)，以便于舵機(jī)控制它左右傾斜，將垃圾傾倒下去。同時(shí)，筆者利用激光切割機(jī)將亞克力板切成相應(yīng)的尺寸，并進(jìn)行組裝。

其次是電路部分的連接。電路部分包括控制板、輸入模塊、輸出模塊、供電模塊。控制板使用DFRobot公司的Romeo三合一主板。輸入模塊為紅外傳感器、金屬傳感器（自制）;輸出模塊為180度金屬舵機(jī);供電模塊則為7.4V鋰電池（為控制板供電）、9V電池（為金屬傳感器供電）。

自制金屬傳感器時(shí)，筆者想到了監(jiān)考時(shí)常見的金屬探測儀。當(dāng)檢測到金屬時(shí)，金屬探測儀上的蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)聲（也可以調(diào)成震動(dòng)模式）。筆者用了一種“偷懶”的方式，將一個(gè)外表有些破舊的金屬探測儀的電路部分拆出進(jìn)行改裝，即將蜂鳴器拆掉，原本連接蜂鳴器的引腳焊接上兩根導(dǎo)線（取名數(shù)字引腳），如圖2所示。該傳感器的物理學(xué)原理為電磁感應(yīng)原理，通電的線圈（漆包銅線圈）會(huì)產(chǎn)生磁場，當(dāng)金屬通過該磁場時(shí)，如果引起磁通量的變化會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而影響原來的磁場。該傳感器在使用時(shí)，將開關(guān)打開，數(shù)字引腳連接至Arduino控制板即可編程控制，其中紅色線接數(shù)字引腳，黑色線接GND。

將輸入輸出模塊與Arduino控制板相連。其中，舵機(jī)連接數(shù)字引腳10，紅外傳感器連接數(shù)字引腳2，金屬探測傳感器連接數(shù)字引腳5;金屬探測傳感器使用9V電池供電，Arduino控制板使用7.4V電池供電，連接如圖3所示。

● 金屬垃圾回收系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

該金屬垃圾回收系統(tǒng)的運(yùn)行流程是：當(dāng)系統(tǒng)通過紅外傳感器檢測到有垃圾投入時(shí)，便會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，根據(jù)識(shí)別結(jié)果來控制舵機(jī)，傾倒垃圾的搖板會(huì)把含有金屬的垃圾投放進(jìn)金屬垃圾回收桶，把不含金屬的垃圾投放進(jìn)非金屬垃圾回收桶。

根據(jù)運(yùn)行流程編寫程序，本項(xiàng)目中編寫程序使用的是圖形化編程軟件ArduBlock教育版，參考程序如圖4所示。

● 拓展提升

本項(xiàng)目還可以進(jìn)行改進(jìn)和完善。例如，增加錄放音模塊，當(dāng)有人投放垃圾時(shí)，播放聲音“愛護(hù)環(huán)境，從我做起”。又如，將亞克力外殼貼上圖紙以裝飾美化，讓垃圾回收系統(tǒng)更美觀實(shí)用，如圖5所示為筆者嘗試的美化。再如，可以嘗試將鋰電池?fù)Q成太陽能電池組，以更加實(shí)用。

● 結(jié)語

該金屬垃圾回收系統(tǒng)目前的應(yīng)用場景主要是在學(xué)校，因?yàn)樾枰娫磥韱?dòng)運(yùn)作，又有Arduino、傳感器、舵機(jī)等電子設(shè)備，所以可以放置在創(chuàng)客空間、走廊、會(huì)場內(nèi)等地方，旨在通過宣傳與普及垃圾分類，引導(dǎo)人們?cè)黾迎h(huán)保理念，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。同時(shí)，把金屬垃圾與其他垃圾精準(zhǔn)區(qū)分后，金屬垃圾可由定點(diǎn)的垃圾回收站來清理收購，既可減少垃圾總量，又可實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)治理創(chuàng)新也有很好的促進(jìn)和實(shí)踐價(jià)值。

當(dāng)然，本項(xiàng)目最有趣的工作是自制了一個(gè)金屬傳感器。大家身邊廢棄的家電中，其實(shí)可以拆解出很多有用的電子模塊，如LED、蜂鳴器等。在廢舊電子垃圾中拆卸零件，利用可樂瓶、金屬罐和塑料盒作為開展創(chuàng)客活動(dòng)的材料。“我們都愛電子垃圾”，這是《愛上Arduino》中的一句話，筆者認(rèn)同這一理念，并希望能和更多教育創(chuàng)客一起感悟、踐行。