多功能智能垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)

于 雯，王 艷，張佳佳，陳思思

(泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

我國(guó)人民對(duì)于垃圾分類的意識(shí)在逐步增強(qiáng)，但是目前我們投擲垃圾時(shí)，僅僅可以區(qū)分可回收和不可回收垃圾，而且大部分人對(duì)可回收和不可回收的概念還不明確，無(wú)法對(duì)垃圾進(jìn)行主動(dòng)的、有針對(duì)性的、初步的分類，導(dǎo)致分類垃圾桶在應(yīng)用時(shí)形同虛設(shè)，垃圾分類的普及程度不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)垃圾的有效分類，大量的可回收資源無(wú)法回收，從而造成大量的資源浪費(fèi)。

而市場(chǎng)上常見的智能垃圾箱做到了投擲的智能化，但是僅僅是具有紅外感應(yīng)自動(dòng)打開垃圾桶蓋的功能，嚴(yán)格意義上講這不屬于智能垃圾桶，無(wú)法實(shí)現(xiàn)普及而且性價(jià)比低[1-3]。如果能設(shè)計(jì)一款垃圾桶，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的自動(dòng)檢測(cè)，區(qū)分和存放，不僅能實(shí)現(xiàn)資源的二次利用，對(duì)于環(huán)境保護(hù)、智慧城市建設(shè)也有積極意義。

因此以實(shí)現(xiàn)垃圾的分類存放和檢測(cè)為目的，采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行垃圾桶機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用鋁合金材質(zhì)進(jìn)行垃圾桶機(jī)械部件的加工，安裝；基于PLC和多傳感器技術(shù)[3,4]開發(fā)一款智能垃圾桶，針對(duì)絕大部分垃圾，比如金屬、紙制品、塑料、玻璃瓶等垃圾進(jìn)行分類；應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，解決垃圾桶日常用電問題；檢測(cè)垃圾容量，采用無(wú)線通信技術(shù)，當(dāng)垃圾桶達(dá)到一定容量時(shí)，發(fā)出警告，并通知相關(guān)人員進(jìn)行垃圾處理；實(shí)現(xiàn)垃圾的初步自動(dòng)分離。

1 研究技術(shù)方法

1.1 城市源頭可回收垃圾的檢測(cè)指標(biāo)

通過調(diào)研、查閱相關(guān)資料[6-8]，考慮到技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性，將垃圾分類為金屬垃圾、玻璃垃圾、塑料垃圾、紙張垃圾和其他垃圾。金屬垃圾的檢測(cè)可以通過金屬傳感器；源頭垃圾中紙張主要為白色紙張和黃色包裝盒，通過顏色傳感器可以判定；塑料和玻璃垃圾主要為飲料瓶和啤酒瓶，其中塑料垃圾占比較大，針對(duì)這兩種垃圾的分類，基于工業(yè)相機(jī)的有效高精度的學(xué)習(xí)能力，采用圖像識(shí)別的方式進(jìn)行檢測(cè)，通過定義形狀和顏色并進(jìn)行綜合判定。

1.2 研究技術(shù)路線

選擇合適傳感器，首先制定垃圾檢測(cè)方案，傳感器選型確定垃圾檢測(cè)方法；采用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行垃圾桶機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定垃圾桶形狀，選取合適的電機(jī)和傳動(dòng)裝置，合理布置垃圾桶內(nèi)部筒體、電源、電機(jī)、電缸等結(jié)構(gòu)位置；將太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到智能垃圾桶的設(shè)計(jì)中，制作匹配的太陽(yáng)能電路板，同時(shí)解決太陽(yáng)能電板與智能垃圾桶的各個(gè)部件之間能量的傳輸和利用問題；結(jié)合PLC、無(wú)線通信以及傳感器技術(shù)進(jìn)行程序開發(fā)、功能調(diào)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)垃圾桶的結(jié)構(gòu)、程序進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)垃圾識(shí)別和分揀以及自動(dòng)報(bào)警功能。項(xiàng)目研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目研究技術(shù)路線

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)垃圾的自動(dòng)分類，必須設(shè)計(jì)科學(xué)的機(jī)械裝備，配合傳感器和PLC控制。采用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行垃圾桶機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用鋁合金材質(zhì)進(jìn)行垃圾桶機(jī)械部件的加工，安裝，保證檢測(cè)到不同垃圾的同時(shí)，機(jī)械部件配合得當(dāng)，對(duì)應(yīng)垃圾精確入箱，實(shí)現(xiàn)垃圾分類存放。

垃圾桶檢測(cè)和分揀系統(tǒng)箱體結(jié)構(gòu)為矩形，內(nèi)部設(shè)置5個(gè)筒體，分別存放5種垃圾。智能垃圾箱采用太陽(yáng)能發(fā)電裝置給垃圾箱供電，垃圾桶頂面為4塊電池板的安裝位置，用于太陽(yáng)能的獲取并提供電源，解決電源的供應(yīng)問題；垃圾桶上方設(shè)置2個(gè)垃圾投放入口，箱體外設(shè)置紅外傳感器，當(dāng)檢測(cè)到垃圾投擲時(shí)，垃圾箱箱門自動(dòng)打開；箱型投擲入口內(nèi)設(shè)置多個(gè)傳感器進(jìn)行垃圾的種類檢測(cè)；箱型投擲入口下方設(shè)置擋料板，采用電缸驅(qū)動(dòng)控制擋料板開合；在垃圾桶筒體下方設(shè)計(jì)機(jī)械轉(zhuǎn)盤，用于支撐筒體重量，同時(shí)根據(jù)傳感器檢測(cè)結(jié)果，上方電缸控制擋料盤開啟，同時(shí)下方蝸桿傳動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將不同種類垃圾自動(dòng)存放對(duì)應(yīng)垃圾小桶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)垃圾的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)存放。垃圾桶結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 垃圾桶結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由檢測(cè)模塊、電源模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和執(zhí)行模塊組成。電源模塊由太陽(yáng)能電池板和24 V直流蓄電池組成，4塊PET型6 V/6 W太陽(yáng)能板通過串聯(lián)的方式持續(xù)給蓄電池供電，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能和電能的轉(zhuǎn)換，太陽(yáng)能板和蓄電池之間設(shè)置SYC-L10型太陽(yáng)能電池板控制器，用于檢測(cè)太陽(yáng)能板的運(yùn)行情況和當(dāng)前電壓；檢測(cè)模塊包括光纖傳感器，金屬傳感器，電容式接近開關(guān)，光纖傳感器采用PRS-310型的光纖放大器探頭和YIBO-NA41型號(hào)光纖放大器組成，安裝在垃圾桶的入料蓋右側(cè)，用于判斷是否有人投放垃圾。金屬傳感器采用LJC18A3-B- Z/EX-NPN型直流常開傳感器，放置于檢測(cè)區(qū)域下測(cè)用于檢測(cè)判斷金屬垃圾，電容式傳感器采用LJC18A3-B-Z/BX型支流敞開傳感器；運(yùn)動(dòng)控制模塊采用西門子S7-224-cn型PLC控制器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、接受、處理和控制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有12288 字節(jié)，適用電源為24 V直流電源，PLC 的內(nèi)部構(gòu)成主要為中央處理器 CPU、存儲(chǔ)器和編程器。輸入輸出接口數(shù)量分別為 14 個(gè)和 10 個(gè)，輸入接口將各種信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，輸出接口則輸出電信號(hào)。執(zhí)行模塊為直流電機(jī)：參數(shù)為25GA-370、步進(jìn)電機(jī)：參數(shù)為普菲德57BYG250H 、轉(zhuǎn)矩2.8N、 步距角1.8°，驅(qū)動(dòng)擋料板和轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 智能垃圾桶控制系統(tǒng)

3 PLC程序控制

3.1 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主要由信號(hào)采集模塊和主控制模塊兩部分組成，信號(hào)采集模塊將信號(hào)送至 PLC，PLC 執(zhí)行相應(yīng)的程序，通過控制步進(jìn)電機(jī)和電缸協(xié)同工作，完成垃圾的投放、識(shí)別和存儲(chǔ)等一系列動(dòng)作，程序流程如圖4所示。

圖4 控制程序流程圖

程序執(zhí)行之前，運(yùn)行初始化程序，復(fù)位所有元器件，步進(jìn)電機(jī)回到原點(diǎn)位置。當(dāng)需要投擲垃圾時(shí)，程序開始執(zhí)行。光纖傳感器檢測(cè)識(shí)別距離，確認(rèn)需要投擲垃圾，PLC接受信號(hào)，啟動(dòng)電機(jī)，控制開啟入料蓋，完成投擲過程。

垃圾檢測(cè)按照金屬、紙張、塑料、玻璃的順序依次進(jìn)行。箱體內(nèi)金屬傳感器優(yōu)先檢測(cè)是否為金屬，如果檢測(cè)到是金屬垃圾，PLC接收信號(hào)，輸出金屬倉(cāng)所需的步進(jìn)脈沖數(shù)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分(轉(zhuǎn)盤)轉(zhuǎn)動(dòng)，將垃圾存放至金屬垃圾桶內(nèi)。完成后，復(fù)位除步進(jìn)外的所有電機(jī)以及PLC內(nèi)部變量，完成金屬垃圾入料環(huán)節(jié)。

將黃色包裝盒和白色紙張作為第二檢測(cè)對(duì)象，采用顏色傳感器檢測(cè)。

塑料和玻璃的檢測(cè)采用基恩士IV2-G500CA型工業(yè)相機(jī)檢測(cè)，其具備清晰高速處理圖像的能力，保證的檢測(cè)的精度和速度。首先鎖定檢測(cè)位置，設(shè)定判斷條件為瓶體輪廓，設(shè)定輪廓識(shí)別進(jìn)行初步判定，用傳感器觀察物體追加瓶蓋顏色面積作為條件識(shí)別。如果所有傳感器都檢測(cè)不到，定義為其他垃圾。確定為相對(duì)應(yīng)垃圾之后PLC接收信號(hào)，輸出對(duì)應(yīng)垃圾箱所需的步進(jìn)脈沖數(shù)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)位置。完成后，復(fù)位除步進(jìn)外的所有電機(jī)和PLC內(nèi)部變量。完成垃圾入料環(huán)節(jié)?？刂瞥绦蛄鞒蹋鐖D4所示。在這個(gè)過程中，合理的調(diào)整檢測(cè)距離是垃圾分類的關(guān)鍵技術(shù)。

同時(shí)每個(gè)垃圾內(nèi)設(shè)計(jì)紅外傳感器，檢測(cè)向內(nèi)垃圾容量，距離達(dá)到一定范圍內(nèi)，啟動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)，基于GSM無(wú)線通信模塊發(fā)送垃圾箱位置提醒相關(guān)人員更換垃圾箱，節(jié)省了人力。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上設(shè)計(jì)和理論，為了驗(yàn)證垃圾智能檢測(cè)方案的合理性，研制的試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)

選取了金屬、黃白紙張、塑料瓶、玻璃瓶不同形態(tài)、大小各30份進(jìn)行的試驗(yàn)。通過統(tǒng)計(jì)，對(duì)應(yīng)檢測(cè)準(zhǔn)確性分別為98%，83%，83%，70%；分析原因，垃圾投擲時(shí)與傳感器的距離、垃圾的形狀都會(huì)影響識(shí)別精度，檢測(cè)平均準(zhǔn)確性為84.5%，垃圾識(shí)別準(zhǔn)確度較好，機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

3.3 需要說(shuō)明的問題

(1)研發(fā)初期設(shè)定的目標(biāo)在技術(shù)能實(shí)現(xiàn)的前提下，實(shí)現(xiàn)大部分可回收垃圾的自動(dòng)檢測(cè)，但是不是全部，由于技術(shù)的限制和傳感器的檢測(cè)精度的問題，還需不斷改進(jìn)，并增加檢測(cè)樣本。

(2)設(shè)定的可檢測(cè)的可回收垃圾樣本，其存在誤檢測(cè)的概率，比如顏色識(shí)別檢測(cè)紙張時(shí)，白色塑料瓶可能被檢測(cè)為紙張，但是考慮到白色塑料瓶畢竟為少數(shù)，檢測(cè)誤差不大；通過擴(kuò)大樣本數(shù)量和增加樣本的典型性特征，修正檢測(cè)誤差；金屬的檢測(cè)精度最高且穩(wěn)定。

(3)視覺傳感器采用基恩士傳感器，檢測(cè)精度較高，檢測(cè)穩(wěn)定性好，因此對(duì)于塑料和玻璃的檢測(cè)采用視覺傳感器，采用形狀和顏色結(jié)合識(shí)別的方法，檢測(cè)的精度較好，有效開發(fā)了視覺多傳感器的學(xué)習(xí)能力。但是對(duì)于這2種垃圾的區(qū)分，力求找到更加有效的界定方式，比如條形碼輸入。

4 結(jié)論

(1)垃圾分類存放機(jī)械裝置。根據(jù)垃圾分類檢測(cè)方案，采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將智能垃圾桶分成5個(gè)區(qū)域進(jìn)行不同垃圾的存放，結(jié)合機(jī)械連桿設(shè)計(jì)、異步電機(jī)選擇、傳感器的檢測(cè)位置選擇以及PLC的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出合理的智能垃圾桶結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的投放、檢測(cè)和分揀。

(2)太陽(yáng)能供電技術(shù)。將太陽(yáng)能供電技術(shù)應(yīng)用到智能垃圾桶，不僅解決的電源的供應(yīng)問題，也是我們大力提倡的清潔能源應(yīng)用的方向。太陽(yáng)能電板與智能垃圾桶的各個(gè)部件之間能量的傳輸和利用是技術(shù)亮點(diǎn)，解決的垃圾桶能量供應(yīng)的問題，更能廣泛推廣。

(3)多傳感器配合實(shí)現(xiàn)垃圾檢測(cè)。垃圾的分揀需要多個(gè)傳感器相互配合，傳感器的選擇是智能垃圾桶的關(guān)鍵技術(shù)。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)歸納，垃圾檢測(cè)的準(zhǔn)確性為84.5%，金屬垃圾的檢測(cè)準(zhǔn)確性最高。需要說(shuō)明的是，由于垃圾種類繁多，無(wú)法進(jìn)行細(xì)化，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，樣本來(lái)源于生活中常見的垃圾，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大部分垃圾的初步分類。