基于Arduino開發(fā)板的校園資源智能回收與分類系統(tǒng)

孫宇峰

（浙江省杭州市高級中學，浙江杭州，310021）

0 引言

當前國內經濟迅速發(fā)展使得國人的消費能力有了大大的提高，因此產生了越來越多的廢棄物品，造成了比較嚴重的資源浪費。尤其在中學和大學校園中，隨著學生思想的獨立和消費的欲望的增強，這種現(xiàn)象顯得尤為明顯。而在校園這個相對封閉的環(huán)境里，如果廢棄塑料瓶、電池和圖書等物品得不到回收，還會一定程度地影響學生的正常生活，浪費空間資源。為了貫徹國家可持續(xù)發(fā)展的理念，從學生時代就培養(yǎng)節(jié)能環(huán)保和資源再利用意識，營造科技環(huán)保的校園氛圍，本系統(tǒng)有極大的研發(fā)前景和社會意義。

根據2018 年商務部《中國再生資源回收行業(yè)發(fā)展報告（2018）》顯示[1]，2017 年全年我國廢塑料、廢紙、廢電池的再生資源回收總量分別為1693 萬噸、5285 萬噸和17.6 萬噸（詳見表1），國家高度重視再生資源行業(yè)的發(fā)展，也在積極推行新型回收模式。而在校園中，學生生活中的日常飲品需求產生了大量的廢棄飲料瓶；各種電子產品的需求導致產生了大量廢舊電池；隨著年級的提高，使用過的教材和圖書也逐漸被淘汰。校園中產生的大量廢棄飲料瓶、普通干電池和圖書教材等資源，飲料瓶價值不高但可實現(xiàn)再利用，廢棄電池雖小但會造成環(huán)境污染，圖書教材雖然普遍但具有重復利用價值。校園內雖設立了分類投放的垃圾桶，但大多數(shù)學生仍會將飲料瓶、電池、圖書等隨意丟棄，無法實現(xiàn)有效的分類回收和再利用。這些校園中存在的飲料瓶、電池、圖書等資源目前缺少合理的回收途徑和分類方法，仍舊以傳統(tǒng)的人工回收為主進行著比較低效的資源回收再利用。

表1 2016-2017年我國個別再生資源回收利用情況

為了解決存在回收物品無法分類、回收物品不清潔和回收物品清理不及時等問題，本文設計了一套基于Arduino開發(fā)板的資源智能回收與分類系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括物品分類識別模塊，物品灰塵檢測模塊和回收箱飽滿度檢測模塊，利用條形碼識別傳感器、紅外灰塵傳感器、超聲波傳感器等器件，通過WiFi 無線通信模塊智能互聯(lián)，可實現(xiàn)分類回收物品、清潔回收物品和及時清理回收物品等功能。此外，本智能回收裝置還配有觸摸顯示屏，可以及時顯示箱內物品回收狀況和回收獎勵信息查詢。在此基礎上創(chuàng)建的學分激勵和資金獎勵政策，也極大地鼓勵學生進行資源分類處理。

1 系統(tǒng)硬件設計

結合上述問題，本文基于Arduino 開發(fā)板的校園資源智能回收與分類系統(tǒng)的總體設計方案如圖1 所示。主要包括Arduino 主控模塊，WiFi 通信模塊，分類模塊，清潔模塊，清理模塊和LCD 顯示模塊。其中Arduino 主控模塊可通過WiFi 通信模塊與分類檢測模塊、清理控制模塊、清潔模塊實現(xiàn)的終端傳感器實現(xiàn)指令互傳完成相應功能，并實時顯示在LCD 模塊，達到人機交互的目的。

圖1 基于Arduino 開發(fā)板的校園資源智能回收與分類系統(tǒng)總體設計方案

1.1 主控模塊：Arduino 開發(fā)板

本系統(tǒng)的主控模塊為Arduino 開發(fā)板，如圖2 所示。Arduino 開發(fā)板是一款開源電子原型平臺，主要特點是操作簡單，尤其適合剛接觸電子設計的初學者。主要包括硬件部分的Arduino 電路板（用來做電路連接）和軟件部分的Arduino IDE（具有使用類似Java、C 語言的編程開發(fā)環(huán)境）。開發(fā)過程中，在IDE 開發(fā)環(huán)境中編寫代碼，再將其燒錄到程序板中后，就可以控制電路板完成相應操作。除此之外，它還具有開源免費的特點，大大縮短了初學者的軟件系統(tǒng)學習和硬件系統(tǒng)設計周期。在本系統(tǒng)中Arduino 開發(fā)板借助WiFi 無線模塊與其余各模塊終端傳感器進行指令互傳，完成模塊控制與信息反饋。

圖2 Arduino 主板

1.2 Wi-Fi 通信模塊

Wi-Fi（wireless fidelity）技術是一種基于IEEE 802.11 標準創(chuàng)建的無線通信技術[2]。它可以讓電子設備通過無線電波在覆蓋的有效范圍內以無線保真的方式連接到WLAN（無線局域網），最常見的就是無線路由器。WiFi通信的一大特點就是傳輸速度極快，可高達百兆比特每秒（1Mbps=131072 字節(jié)/秒=0.125MB/S）。對于本系統(tǒng)采用WiFi 通信還有以下幾個因素：（1）發(fā)射信號功率低于100mw，比手機發(fā)射功率低，利于保護校園內學生的健康；（2）射頻信號強，覆蓋范圍廣，保證校園內的覆蓋；（3）WiFi 功耗低，利于節(jié)約電力，降低使用成本；（4）安全性較高，不易被侵入。在本系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)通過發(fā)出信號給WiFi 模塊，再由WiFi 模塊發(fā)出信號給傳感器或互聯(lián)網，從而實現(xiàn)系統(tǒng)控制和發(fā)出信息。

1.3 分類模塊：CCD 條碼識別傳感器

分類模塊通過CCD 條碼識別傳感器來識別物品上的條形碼，再將數(shù)據上傳至數(shù)據庫進行比對后完成識別。與此同時，傳感器發(fā)出信號給主控模塊，由主控模塊打開相應物品的箱門，將物品放入，實現(xiàn)分類，很大程度地節(jié)省了使用方及回收方的時間，提高了分類效率。

本模塊條形碼識別傳感器采用的是LV6CCD 條碼識別傳感器。它由高感光度的半導體制成光敏單元、輸入結構和輸出結構。CCD 在工作時，在一定時間內利用光敏原件對光信號進行取樣，將光的強弱轉化為光敏單元內電荷的多少,然后在取樣結束后將電荷由轉移柵轉到移位存儲器的相應單元，再將其傳至輸出端接著信號處理器中，便可再現(xiàn)信號。此外，LV6 型的CCD 還擁有零上50 至零下20 度的耐溫能力，完全適用于校園室外環(huán)境下的使用。

圖3 LV6CCD 條碼識別傳感器

1.4 清潔模塊：灰塵傳感器

清潔模塊利用灰塵傳感器可檢測回收書本上的灰塵，再將信號由WIFI 無線通信模塊傳至主控模塊，主控模塊在該信號與標準值進行比較后發(fā)出信號打開氣體噴射裝置和紫外燈對書本進行清潔處理，從而改善圖書的回收清潔度。

本模塊利用灰塵傳感器來進行灰塵檢測。由于光的性質，當微粒和分子在光的照射下會發(fā)生散射現(xiàn)象并同時吸收部分光的能量。當一束光入射到被測顆粒場時，由于被顆粒散射并被周圍吸收能量，這樣便可得到入射光通過待測濃度場的相對衰減率。而相對衰減率又反映了線性反應待測場灰塵的相對濃度，光強的大小和經光電轉換的電信號強弱成正比，通過測得電信號就可以求得相對衰減率。之后發(fā)出信號給主控模塊，實現(xiàn)相應功能。

1.5 清理模塊：超聲波傳感器

清理模塊利用超聲波傳感器可檢測箱內飽滿度，再將測得信號傳至主控模塊，主控模塊進行信號比對工作，若達到了設定值，則鎖定箱蓋并發(fā)出信號給通信模塊，由通信模塊發(fā)出信號給最近的回收站，提醒相應人員來進行處理，提高回收效率。

本模塊的功能是依靠超聲波傳感器來實現(xiàn)的。超聲波傳感器由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。傳感器發(fā)出的頻率高于20kHz 的機械波，由于頻率高、波長短，不易發(fā)生衍射，使聲波能夠有良好方向性。波在碰到箱內物體后被反射會傳感器，通過傳遞信號給主控模塊來計算出箱內物品據箱蓋的距離，再進行對比，從而實現(xiàn)相應功能。

圖4 超聲波傳感器

1.6 顯示模塊：LCD 顯示屏

本系統(tǒng)中LCD 顯示屏承擔顯示任務。在正常工作時，顯示屏主要實時顯示箱體內的飽滿程度和工作狀態(tài)，能及時讓使用者了解箱內回收信息。當有人刷卡后，顯示屏會立刻跳轉至卡主個人信息頁面，顯示積分情況和回收次數(shù)等個人數(shù)據，讓卡主能了解自己的使用情況。

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計在Arduino IDE 開發(fā)環(huán)境中使用C 語言的代碼進行編程，可分為三大功能模塊—條碼分類模塊、圖書清潔模塊、物品清理模塊。Arduino 主控板借助主程序對各個模塊的子程序的調用來實現(xiàn)傳感器電信號的采集，再將信號傳回主控板與子程序設定值進行比對，從而根據不同對比結果執(zhí)行相應命令，實現(xiàn)相應功能，并在顯示屏上完成實時顯示功能。圖5 為本系統(tǒng)軟件工作流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖

2.1 條碼分類子程序設計

本子程序是利用CCD 條碼識別傳感器實現(xiàn)條碼識別。首先通過主程序實現(xiàn)Arduino 初始化，通過子程序實現(xiàn)圖像傳感器和顯示屏的初始化。當有物品投入時，開始校驗條形碼，圖像傳感器對條形碼進行掃描，根據條碼寬度不同，相應產生的不同電信號，經過模數(shù)轉換和整形后，根據碼值可將條形符號換成相應的字符信息并傳回主控模塊。Arduino 讀取不同信號后，得到條形碼的結果與數(shù)據庫進行對比，將對比結果傳送給顯示屏，完成物品種類的判斷，實現(xiàn)條碼分類的功能。若是圖書或飲料瓶，則打開艙門；若不是，則重新返回條碼識別界面。

2.2 圖書清潔子程序設計

本子程序是利用灰塵傳感器實現(xiàn)圖書清潔程度判斷并完成物品清潔。首先通過主程序實現(xiàn)Arduino 初始化，通過子程序實現(xiàn)灰塵傳感器的初始化。當有圖書投入后，在光的照射下，書本上的灰塵微粒會發(fā)生散射現(xiàn)象，同時吸取光的一部分能量，因而光強會有一定程度的衰減，經光電轉換后光強的大小和的電信號強弱成正比，通過測得電信號就可以求得相對衰減率。而濃度場的相對衰減率大小則能反應待測場灰塵的相對濃度。之后，再將相應濃度值傳回Arduino主控板，將其與灰塵清潔閾值C 進行比較。如果大于閾值C，則打開噴射氣孔對圖書進行清潔；如果小于閾值C，則判斷為整潔圖書。

2.3 物品清理子程序設計

本子程序是利用超聲波傳感器實現(xiàn)回收箱飽滿度的檢測并提醒物品清理。首先通過主程序實現(xiàn)Arduino 初始化，通過子程序實現(xiàn)超聲波傳感器的初始化。超聲波傳感器是自身主動發(fā)送脈沖式超聲波信號，通過對聲波返回的時間進行記錄和判斷，來確定被測物（飲料瓶或圖書）距離檢測器的距離。當回收箱正常工作時，通過子程序設計每隔固定的時間（10s）對箱內物品進行測距，傳感器將聲波信號轉化為電信號傳回主控板，子程序內通過電瓶信號時間與距離公式即可完成距離的判斷，得出距離值并與閾值D 比較。如果大于距離閾值D，則回收箱繼續(xù)正常工作；如果小于閾值D，則代表箱體較滿，向管理者發(fā)出清理信號，并在顯示屏上顯示回收箱已滿信息。

3 功能創(chuàng)新點

（1）本系統(tǒng)為校園資源智能回收與分類箱，可通過條碼識別技術對學生常用的飲料瓶、圖書、電池等可回收再利用資源，實現(xiàn)智能分類和回收，節(jié)能減排，科技環(huán)保；

（2）本系統(tǒng)在智能回收與分類基礎上，在投入物品箱內后，可實現(xiàn)圖書清潔度判斷進行圖書清潔，實現(xiàn)箱體飽滿度檢測進行回收提醒，以及實現(xiàn)顯示屏的人機交互功能，不僅便于回收管理者的智能管理，更有助于學生的良好用戶體驗；

（3）本系統(tǒng)可設置校園學分或線上資金獎勵機制，與學生教學系統(tǒng)和校園一卡通實現(xiàn)互通：例如投入100 個飲料瓶或10 本二手圖書或10 節(jié)廢棄電池可以修滿環(huán)保學分1分，額外投入飲料瓶可獎勵0.1 元/個、投入圖書可獎勵1-10元/本、投入電池可獎勵1 元/節(jié)，獎勵資金可直接充入學生的校園一卡通賬戶，在鼓勵學生參與環(huán)保事業(yè)的同時，培養(yǎng)學生的資源回收與分類意識。

4 結語

本文從校園資源的回收與分類現(xiàn)狀出發(fā)，設計了一套基于Arduino 開發(fā)板的資源智能回收與分類系統(tǒng)，將圖像傳感器應用于物品條碼識別的分類模塊、紅外灰塵傳感器應用于物品灰塵檢測的清潔模塊、超聲波傳感器應用于回收箱飽滿度檢測的清理模塊，通過WiFi 無線模塊通信互聯(lián)，可實現(xiàn)分類、清潔和清理回收物品等功能，極大地改善了校園資源的回收和分類的智能化。在此基礎上，將該系統(tǒng)引入于校園學分和資金獎勵機制，提高了學生參與資源回收的參與度，培養(yǎng)了學生資源回收與分類意識，在校園和社會中都具有極大的可普及性。

當然，本系統(tǒng)在設計時，由于作者知識的限制，還存在一些不足。例如，LCD 顯示模塊中還可設計更智能的交互功能，方便學生查看自己的學分與獎勵信息；識別模塊上，可采用精確度更高、識別范圍更廣的圖像識別法；箱體設計上，還可以設計更完善的箱體結構，實現(xiàn)箱體內部結構的充分使用和智能保護。以上這些方面計劃在后續(xù)學習中皆會有相應改進。

在科技日益進步的今天，作為一名中學生，學習應用各類傳感器和計算機知識來設計智能創(chuàng)新系統(tǒng)是十分有必要的，本著學以致用的目的，我將致力于用科技提升校園、改善生活！