基于PLC控制的智能垃圾分類系統(tǒng)研究

梁克靖 申屠佳穎 毛弘江 李寬野

摘 要：目前，城市可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)對開展生活垃圾分類的需求已經(jīng)極為迫切?；诖耍疚幕诳删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）設(shè)計了一種具有識別功能的智能化垃圾分類系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能幫助人們實(shí)現(xiàn)對常見垃圾的有效分類，而且可以向人們普及垃圾分類知識，滿足人們對垃圾分類知識的需求。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器;垃圾分類;智能垃圾分類系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.44;X705文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）22-0020-03

Abstract： At present， the sustainable development of the city and the construction of ecological civilization have an urgent need to carry out domestic waste classification. Based on this， this paper designed an intelligent garbage sorting system with identification function based on PLC. The system can not only help people to realize the effective classification of common garbage， but also popularize the knowledge of garbage classification to meet the needs of people for garbage classification knowledge.

Keywords： PLC;garbage classification;intelligent garbage sorting system

1 研究背景

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，智能機(jī)器產(chǎn)業(yè)逐漸打破了只服務(wù)于大型工業(yè)化制造業(yè)的壁壘，開始走進(jìn)尋常百姓家。除制造業(yè)對工業(yè)型機(jī)器的需求穩(wěn)步提升外，人民大眾對服務(wù)型機(jī)器的需求也在快速增長，洗碗機(jī)、掃地機(jī)器人等小型智能家用電器在廣大家庭中的應(yīng)用為越來越多的人們解決了生活中的家務(wù)難題。然而，在公共服務(wù)方面，目前還沒有一個成熟的系統(tǒng)型應(yīng)用示例。

隨著人們對生態(tài)環(huán)境的重視程度越來越高，政府將“綠水青山”作為國家規(guī)劃發(fā)展的前提條件，垃圾的分類處理對環(huán)境和人們來說，都是有百利而無一害。但目前，我們對實(shí)行垃圾分類而做出的努力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。PLC是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），一種具有微處理器的用于自動化控制的數(shù)字運(yùn)算控制器[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)垃圾的有效分類，本文利用施耐德M340型PLC設(shè)計了一款智能垃圾分類系統(tǒng)。

該型號的PLC運(yùn)行穩(wěn)定、擴(kuò)展方式多樣、編程環(huán)境成熟、可復(fù)制性高，比較適合開展模型研究。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

垃圾分類具有以下三方面特點(diǎn)。第一，動態(tài)性：垃圾的產(chǎn)生與清運(yùn)是一個動態(tài)的過程，理想狀態(tài)是盡可能將公共空間的垃圾桶維持在始終有存儲容量的狀態(tài)。

第二，延續(xù)性：垃圾的產(chǎn)生與處理貫穿人類社會發(fā)展，尤其是進(jìn)入工業(yè)時代之后，只要有人類存在，就會產(chǎn)生不同種類的垃圾，對垃圾分類的需求也就越來越高。

第三，全民性：真正進(jìn)入垃圾分類處理的良性循環(huán)階段，使垃圾得到妥善的再利用與無害處理，達(dá)到環(huán)保的目的，必定需要全體人類的力量。

基于垃圾分類的上述三個特點(diǎn)，將基于PLC控制的智能垃圾分類系統(tǒng)分為三個主要部分，即中央服務(wù)器、垃圾分類集中處理箱和手機(jī)APP客戶端[3]。在當(dāng)下國內(nèi)垃圾分類體系尚未成熟的背景下，設(shè)計該系統(tǒng)旨在達(dá)到培養(yǎng)人們分類意識，使其養(yǎng)成分類習(xí)慣，并簡化分類流程的目的。其中中央服務(wù)器是數(shù)據(jù)處理核心，具有統(tǒng)籌規(guī)劃的作用，監(jiān)控各個處理箱的工作狀態(tài)，搭建垃圾分類知識數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化垃圾清運(yùn)流程等。垃圾分類集中處理箱包括PLC模塊與識別系統(tǒng)，主要作用是對人們丟棄的垃圾進(jìn)行分類，并通過內(nèi)部機(jī)械裝置投放到相應(yīng)的內(nèi)部箱體中，方便后期清運(yùn)處理。手機(jī)APP客戶端作為該系統(tǒng)的應(yīng)用終端，為所有使用者提供垃圾分類知識，培養(yǎng)其垃圾分類意識，并提供垃圾類別的識別方法。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 中央服務(wù)器分析

中央服務(wù)器作為該系統(tǒng)的命令接收與發(fā)布單元，具有對從屬垃圾分類處理箱的實(shí)時監(jiān)控作用，如運(yùn)行狀態(tài)、垃圾儲量、調(diào)度清運(yùn)等;同時，還需要滿足該系統(tǒng)垃圾分類相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲要求，故需要性能高、穩(wěn)定性好、方便維護(hù)的服務(wù)器。

3.2 垃圾分類集中處理箱設(shè)計

垃圾分類集中處理箱由PLC模塊、識別系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、光電傳感器、可旋轉(zhuǎn)箱體五部分組成[4-5]。其中，PLC模塊包含M340型PLC與輸入輸出模塊，通過PLC編程序控制，實(shí)現(xiàn)對信息的收集、處理和控制工作。識別系統(tǒng)主要是對放入旋轉(zhuǎn)平臺的垃圾進(jìn)行類別識別。此系統(tǒng)可識別的垃圾主要分為兩類：一類是零散的垃圾，如礦泉水瓶、面紙、塑料袋等戶外常見的垃圾，此類垃圾比較容易識別;另一類是人們在家中已經(jīng)完成分類、打包好的垃圾袋，此時只需要在投放時在垃圾袋上貼上對應(yīng)的顏色貼紙（可回收垃圾、干垃圾、濕垃圾、有害垃圾等分別設(shè)置不同的對應(yīng)顏色）。該識別系統(tǒng)可以通過內(nèi)部的攝像頭掃描貼紙顏色來對封閉垃圾袋進(jìn)行垃圾類別判斷。設(shè)置伺服系統(tǒng)與光電傳感器主要為了對垃圾分類的投放過程進(jìn)行控制。伺服電機(jī)在PLC的直接控制下可改變投擲桿角度和十字柱形擋板角度，以實(shí)現(xiàn)垃圾分類投放。

由于日常生活中的垃圾主要有可回收垃圾、干垃圾、濕垃圾、有害垃圾4類，故把垃圾分類集中處理箱的箱體設(shè)計為4個90°扇柱形箱體，組成一個圓柱形大箱體，便于機(jī)械轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)投擲。箱體包括旋轉(zhuǎn)平臺和垃圾儲箱上下兩部分。垃圾進(jìn)入垃圾箱，先暫留在旋轉(zhuǎn)平臺上方，經(jīng)過箱體內(nèi)部的識別系統(tǒng)識別出垃圾種類后，通過機(jī)械轉(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)平臺將垃圾運(yùn)送至對應(yīng)垃圾儲箱上方，轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置打開上下層間隔，從而將垃圾分送到對應(yīng)的箱體，完成垃圾的分類投放。旋轉(zhuǎn)平臺和垃圾儲箱都分為4個分區(qū)，分別對應(yīng)可回收垃圾、干垃圾、濕垃圾和有害垃圾。四部分之間相互聯(lián)系，進(jìn)行信息交流及控制，構(gòu)成一個整體。垃圾分類集中處理箱示意圖如圖1所示。

以施耐德M340型PLC設(shè)備為例，在Unity Pro XL上使用梯形圖進(jìn)行編程。軟件部分分為三個主要模塊：伺服電機(jī)驅(qū)動控制模塊、投放電機(jī)驅(qū)動控制模塊、模式選擇控制模塊。

設(shè)計原理如下，通過編程梯形圖設(shè)置變量A、B、C、D分別代表垃圾分類投放過程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。變量A表示傳感器讀取的十字擋板的位置，當(dāng)有物體靠近時，傳感器會輸出一個高電平，當(dāng)物體離開后，傳感器會輸出低電平。傳感器的感應(yīng)結(jié)果能確定變量B的值;變量C表示箱體內(nèi)部識別系統(tǒng)讀取的垃圾種類，即垃圾所應(yīng)投放的位置，其能確定變量D的值。當(dāng)B=D時，說明待處置的垃圾已經(jīng)在所應(yīng)投放的位置上，則進(jìn)入模式1，伺服電機(jī)不驅(qū)動;當(dāng)B與D的值不相等時，則進(jìn)入模式2，伺服電機(jī)驅(qū)動，使中心轉(zhuǎn)軸順時針以速度特征曲線下的給定速度轉(zhuǎn)動到對應(yīng)位置。當(dāng)?shù)竭_(dá)對應(yīng)位置后，啟動投放電機(jī)驅(qū)動控制模塊，打開箱體內(nèi)部的上下層隔板，完成垃圾分類投放。

3.3 手機(jī)終端

移動網(wǎng)絡(luò)的不斷普及，更有利于開發(fā)此垃圾分類系統(tǒng)的終端應(yīng)用。本APP使用可以跨平臺的MUI框架和HTML 5+技術(shù)，提高軟件的可移植性，它可以一次開發(fā)多次使用，輕松實(shí)現(xiàn)Android、iOS和微信小程序等多個平臺的同步。

為方便人們提高對垃圾分類的認(rèn)識，故APP的主要功能為查詢垃圾所屬種類，提高人們對垃圾進(jìn)行自主分類的能力，進(jìn)而增強(qiáng)人們垃圾分類意識。為此，作為匹配該智能垃圾分類系統(tǒng)的手機(jī)端APP，主要承擔(dān)的工作有如下兩方面。

第一，垃圾種類查詢功能。查詢功能有三種形式：拍照進(jìn)行圖像識別、文字輸入查詢、人工客服查詢。這一功能旨在幫助分類意識薄弱、垃圾分類知識不足的人群提高分類意識與分類能力。其中拍照識別功能基于TensorFlow?進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，通過深度可分解卷積網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練人工智能識別圖片內(nèi)容，將訓(xùn)練好的模型打包壓縮，使手機(jī)可以依靠自身算力完成圖像識別。文字查詢功能通過模糊匹配和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)。人工客服查詢功能需要較高的人力成本。具體如圖2所示。

第二，垃圾分類科普教育傳播。充分利用移動網(wǎng)絡(luò)的終端觸達(dá)能力，將垃圾分類的知識傳播給每一位APP使用者。在我國當(dāng)下提倡垃圾分類的初始階段，進(jìn)行垃圾分類知識宣傳、提高人們的垃圾分類意識就顯得尤為必要。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)目前還處于“1+1+n”的初始模型驗(yàn)證模式，即一個中央服務(wù)器，附加一臺垃圾分類集中處理箱模型，再加上多個APP終端的模式。該模式下，終端APP使用效果良好，基本可以滿足人們對垃圾分類知識的需求，并幫助人們對常見垃圾進(jìn)行分類。垃圾分類集中處理箱模型在PLC的控制下，可以滿足對垃圾分類投放的初始需求。經(jīng)過模型驗(yàn)證，該系統(tǒng)比較適用于辦公樓、行政樓、工業(yè)示范園區(qū)等垃圾種類較少、識別壓力不大的區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：

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