智能垃圾分揀系統的設計

郜 輝，呂志剛，王 賓，毛 琳，王 辛

（西安工業大學 電子信息工程學院，西安710032）

早在2004年中國就已經超越美國成為世界第一垃圾制造大國[1]，這些垃圾大多數通過土埋或者遠距離堆放，盡管遠離人們所生活的場所，但也不能完全隔開污染，所造成的污染不會憑空消失，它們會在大自然生態系統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]。

垃圾分類檢測裝置能大幅度提高垃圾的轉換效率[3]，能夠讓垃圾在投入時就已經實現分類，進而能夠為垃圾的投放、轉運、回收處理提高一定的效率，可節省土地，減少焚燒污染，資源回收可利用更便利化[4]。

通過對垃圾種類的辨別，在此設計了一套智能垃圾分揀系統。該系統包括一個智能垃圾分揀裝置和一個服務器，智能垃圾分揀裝置負責檢測垃圾并對垃圾進行分類，對檢測結果進行上傳，服務器負責接收和存儲垃圾數據，有助于對居民生活狀態進行分析。智能垃圾分揀系統能有效提高垃圾回收效率，達到保護環境的目的，減少環衛工人的工作難度，同時可提高資源的可回收利用，對生態環境有著重大作用。

1 智能垃圾分揀系統設計指標

通過分析常見垃圾的種類，以及世界各類智能垃圾桶發展的趨勢，該系統對日常常見垃圾進行了分類，并以此為依據設計了智能垃圾分揀系統設計指標。該指標具體如下：①實現4 類垃圾（可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾）的檢測；②檢測時間不超過5 s；③檢測后的顯示結果清晰直觀；④可自動對垃圾進行分類投放；⑤服務器可存儲垃圾分類信息。

在此，通過對城市居民生活中常見垃圾的顏色、氣味、導電性、含水分程度進行參考研究，綜合國內外智能垃圾桶的調查研究結果[5]，選定了可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾等4 類垃圾為檢測對象。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量判定，塑料與玻璃可回收垃圾可通過垃圾透明度進行判定；廚余垃圾主要包括剩菜剩飯、菜根菜葉、果皮等，可通過檢測垃圾濕度進行判別；有害垃圾主要包括廢電池、廢日光燈、廢水銀溫度計等，可通過既包含金屬成分，又包含其他材料進行判別；其他垃圾，主要有磚瓦陶瓷、渣土等，可通過檢測垃圾密度進行判別。

2 智能垃圾分揀系統硬件設計

該系統采用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、質量傳感器、GPS 定位模塊、顯示模塊、報警模塊、服務器端、電機控制模塊組成。垃圾投入智能垃圾分揀裝置后，傳感器模塊按順序動作，將所測得信號傳至STM32 單片機，經判斷后檢測出所屬垃圾分類，通過顯示模塊顯示分類結果，通過報警模塊提示垃圾屬于4 類垃圾之外的垃圾，通過電機控制模塊分類投放垃圾，通過服務器端顯示垃圾分類數據。智能垃圾分揀系統總體硬件如圖1 所示。

圖1 智能垃圾分揀系統總體硬件框圖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的檢測模塊之一，用于判斷所測物體是否為金屬，當有金屬垃圾靠近時，金屬傳感器的指示燈就會亮；在振蕩器中會產生交變磁場，金屬垃圾內產生渦流就會使金屬振蕩器減弱，直至停止振蕩。這個從振蕩到停止振蕩的過程讓后級放大電路轉成了開關信號，從而檢測到是否有金屬類垃圾。此類檢測無需接觸，檢測距離為4 mm。在此所采用的LJ12A3-4-Z/BX電感式金屬傳感器響應量變化程度高，響應時間短，抵抗外部干擾性強，工作穩定可靠，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的檢測模塊之一。該傳感器采用紅外對管，用于識別物體透明度，檢測是否為塑料、玻璃類垃圾。當塑料、玻璃類有透明度的垃圾進入紅外對管傳感器的檢測范圍時，紅外對管的發射端發射光束，接收端來接收光束，接收端判斷收到的光線亮或不亮，以此檢測塑料與玻璃類有透明度的垃圾。透明度傳感器還用于檢測每個垃圾桶是否已滿，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的檢測模塊之一，用于對果皮、剩菜剩飯等垃圾進行檢測，檢測垃圾是否有含水分。該檢測采取接觸式檢測，以達到測量更為準確的目的。該傳感器部分設計有可調變阻器，可以通過調節該變阻器來調節濕度的閥值。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 質量傳感器模塊

質量傳感器為智能垃圾分揀系統的檢測模塊之一，用于檢測垃圾的密度，以區分是否為其他垃圾。該設計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，最大可測量10 kg的物品。對固定體積的垃圾測量重量，以計算垃圾的密度。質量傳感器模塊電路連接如圖5 所示。

圖5 質量傳感器模塊電路連接Fig.5 Circuit connection of mass sensor module

2.5 顯示模塊

通過單片機傳遞的信號顯示當前測量結果，顯示當前垃圾屬于什么垃圾。經傳感器檢測，若為此類垃圾則顯示所對應垃圾種類的漢字。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 報警模塊

當一系列傳感器檢測完后，若都不屬于上述4類垃圾，則蜂鳴器發出滴聲。報警模塊電路連接如圖7 所示。

圖7 報警模塊電路連接Fig.7 Circuit connection of alarm module

2.7 GPS 定位模塊與服務器端

GPS 定位模塊檢測垃圾桶的位置，并將GPS 定位信息通過RS232 串口上傳到服務器端。服務器端用來處理智能垃圾分揀系統的檢測數據，統計各種垃圾的數據及比例，并在上位機軟件上面進行顯示，便于工作人員統計垃圾數據。該系統通過RS232通信，將垃圾檢測信息上傳至服務器端，RS232 通信模塊電路連接如圖8 所示。

2.8 電機控制模塊

檢測出垃圾種類后，STM32 主控模塊會控制電機控制模塊將垃圾投放到對應的垃圾桶內，使垃圾達到分類處理的目的。該系統采用ULN2003 芯片作為電機驅動芯片，通過四線制的脈沖信號以控制電機的正反轉。電機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 電機控制模塊電路連接Fig.9 Motor control module circuit connection

3 智能垃圾分揀系統總體軟件設計

當垃圾投置于智能垃圾分揀裝置內時，垃圾需要處在5 種傳感器檢測模塊都能檢測到的范圍中，此時再按下開啟按鍵。當按鍵按下后，認為有垃圾投入智能垃圾分揀裝置中，則將開始一輪檢測：金屬傳感器先進行檢測，如果含有金屬，則繼續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。垃圾分類檢測完成后，電機控制模塊將垃圾投放到相應的垃圾桶中，并將垃圾桶位置信息、垃圾桶裝滿信息、垃圾種類信息、數量信息上傳至服務器端。智能垃圾分揀系統總體軟件流程如圖10 所示。

4 智能垃圾分揀系統服務器設計

在OneNET 開發平臺上，使用模塊化編程對智能垃圾分揀系統服務器進行設計。服務器主要功能如下：獲取可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾、 未知垃圾的垃圾數量及各個垃圾的占比信息，服務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的位置信息，垃圾裝滿后會在服務器報警，可以指派工作人員對垃圾進行處理。智能垃圾分揀系統服務器端界面如圖11所示。

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

圖11 智能垃圾分揀系統服務器端界面Fig.11 Interface of intelligent garbage sorting system server

5 結語

所設計的智能垃圾分揀系統，包括1 個智能垃圾分揀裝置和1 個服務器。該系統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檢測垃圾種類，通過執行機構將相應垃圾放進對應的垃圾桶中，在智能垃圾分揀裝置上顯示垃圾檢測結果，并將垃圾桶位置信息、垃圾桶裝滿信息、垃圾種類信息、數量信息進行統計上傳到服務器，通過對垃圾數據處理分析居民的生活狀態。智能垃圾分揀系統能有效提高垃圾回收效率，達到保護環境的目的，減少環衛工人的工作難度，同時可提高資源的可回收利用對生態環境有著重大作用。