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(xué)，浙江杭州，310021）

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展使得國人的消費能力有了大大的提高，因此產(chǎn)生了越來越多的廢棄物品，造成了比較嚴(yán)重的資源浪費。尤其在中學(xué)和大學(xué)校園中，隨著學(xué)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(xué)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(xué)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(jù)2018 年商務(wù)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(xué)生生活中的日常飲品需求產(chǎn)生了大量的廢棄飲料瓶；各種電子產(chǎn)品的需求導(dǎo)致產(chǎn)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(chǎn)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(fù)利用價值。校園內(nèi)雖設(shè)立了分類投放的垃圾桶，但大多數(shù)學(xué)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(jìn)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(shè)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(nèi)物品回收狀況和回收獎勵信息查詢。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建的學(xué)分激勵和資金獎勵政策，也極大地鼓勵學(xué)生進(jìn)行資源分類處理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

結(jié)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(shè)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(yīng)功能，并實時顯示在LCD 模塊，達(dá)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(shè)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(shè)計的初學(xué)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(yīng)操作。除此之外，它還具有開源免費的特點，大大縮短了初學(xué)者的軟件系統(tǒng)學(xué)習(xí)和硬件系統(tǒng)設(shè)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(jìn)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(shù)是一種基于IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的無線通信技術(shù)[2]。它可以讓電子設(shè)備通過無線電波在覆蓋的有效范圍內(nèi)以無線保真的方式連接到WLAN（無線局域網(wǎng)），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(dá)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(hù)校園內(nèi)學(xué)生的健康；（2）射頻信號強，覆蓋范圍廣，保證校園內(nèi)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(wǎng)，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(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(yīng)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(dǎo)體制成光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)。CCD 在工作時，在一定時間內(nèi)利用光敏原件對光信號進(jìn)行取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)化為光敏單元內(nèi)電荷的多少,然后在取樣結(jié)束后將電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)到移位存儲器的相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)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(jìn)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(jìn)行灰塵檢測。由于光的性質(zhì)，當(dāng)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(dāng)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(yīng)待測場灰塵的相對濃度，光強的大小和經(jīng)光電轉(zhuǎn)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(yīng)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(nèi)飽滿度，再將測得信號傳至主控模塊，主控模塊進(jìn)行信號比對工作，若達(dá)到了設(shè)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(yīng)人員來進(jìn)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(nèi)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(nèi)物品據(jù)箱蓋的距離，再進(jìn)行對比，從而實現(xiàn)相應(yīng)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(dān)顯示任務(wù)。在正常工作時，顯示屏主要實時顯示箱體內(nèi)的飽滿程度和工作狀態(tài)，能及時讓使用者了解箱內(nèi)回收信息。當(dāng)有人刷卡后，顯示屏?xí)⒖烫D(zhuǎn)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(jù)，讓卡主能了解自己的使用情況。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計在Arduino IDE 開發(fā)環(huán)境中使用C 語言的代碼進(jìn)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?qū)Ω鱾€模塊的子程序的調(diào)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(shè)定值進(jìn)行比對，從而根據(jù)不同對比結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)命令，實現(xiàn)相應(yīng)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)Arduino 初始化，通過子程序?qū)崿F(xiàn)圖像傳感器和顯示屏的初始化。當(dāng)有物品投入時，開始校驗條形碼，圖像傳感器對條形碼進(jìn)行掃描，根據(jù)條碼寬度不同，相應(yīng)產(chǎn)生的不同電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和整形后，根據(jù)碼值可將條形符號換成相應(yīng)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(jié)果與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，將對比結(jié)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)Arduino 初始化，通過子程序?qū)崿F(xiàn)灰塵傳感器的初始化。當(dāng)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(jīng)光電轉(zhuǎn)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(yīng)待測場灰塵的相對濃度。之后，再將相應(yīng)濃度值傳回Arduino主控板，將其與灰塵清潔閾值C 進(jìn)行比較。如果大于閾值C，則打開噴射氣孔對圖書進(jìn)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)Arduino 初始化，通過子程序?qū)崿F(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(jìn)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(dāng)回收箱正常工作時，通過子程序設(shè)計每隔固定的時間（10s）對箱內(nèi)物品進(jìn)行測距，傳感器將聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號傳回主控板，子程序內(nèi)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(shù)對學(xué)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(chǔ)上，在投入物品箱內(nèi)后，可實現(xiàn)圖書清潔度判斷進(jìn)行圖書清潔，實現(xiàn)箱體飽滿度檢測進(jìn)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(xué)生的良好用戶體驗；

（3）本系統(tǒng)可設(shè)置校園學(xué)分或線上資金獎勵機制，與學(xué)生教學(xué)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(xué)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(xué)生的校園一卡通賬戶，在鼓勵學(xué)生參與環(huán)保事業(yè)的同時，培養(yǎng)學(xué)生的資源回收與分類意識。

4 結(jié)語

本文從校園資源的回收與分類現(xiàn)狀出發(fā)，設(shè)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(yīng)用于物品條碼識別的分類模塊、紅外灰塵傳感器應(yīng)用于物品灰塵檢測的清潔模塊、超聲波傳感器應(yīng)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(chǔ)上，將該系統(tǒng)引入于校園學(xué)分和資金獎勵機制，提高了學(xué)生參與資源回收的參與度，培養(yǎng)了學(xué)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(dāng)然，本系統(tǒng)在設(shè)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(shè)計更智能的交互功能，方便學(xué)生查看自己的學(xué)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(shè)計上，還可以設(shè)計更完善的箱體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的充分使用和智能保護(hù)。以上這些方面計劃在后續(xù)學(xué)習(xí)中皆會有相應(yīng)改進(jìn)。

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