STM32單片機(jī)控制的智能垃圾分類終端

張佳琪，于海霞，劉永輝，賈俊杰，苑文亞，付宜帆

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116000）

0 引 言

隨著國家對(duì)環(huán)保的要求越來越嚴(yán)格，垃圾分類投放必將成為強(qiáng)制性的規(guī)定?，F(xiàn)在絕大多數(shù)垃圾分類僅僅依靠垃圾投放者根據(jù)標(biāo)識(shí)進(jìn)行自主判斷，若個(gè)人沒有相應(yīng)的分類知識(shí)，則無法做到準(zhǔn)確地分類垃圾，尤其是許多垃圾異味太重或者存在一些蚊蟲，使得垃圾分類更加不便[1-3]。目前市場(chǎng)上常見的垃圾箱無法對(duì)垃圾進(jìn)行主動(dòng)的、有針對(duì)性的、初步的分類，現(xiàn)有的智能垃圾箱也僅僅做到了投擲的智能化。例如，李琳等人[4]設(shè)計(jì)了基于STM32的校園內(nèi)智能垃圾桶測(cè)滿系統(tǒng)，具有低功耗、集成度高、續(xù)航持久、維護(hù)方便等特點(diǎn)。辛政華等人[5]設(shè)計(jì)了一種智能垃圾桶，它以CC2530為核心，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的感應(yīng)自動(dòng)開蓋和關(guān)閉。當(dāng)超聲波檢測(cè)到距離垃圾小于10 cm時(shí)，觸發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，垃圾桶蓋自動(dòng)關(guān)閉；垃圾桶處理系統(tǒng)監(jiān)控中心檢測(cè)出垃圾桶滿時(shí)，發(fā)出處理命令；當(dāng)垃圾得到清理，且超聲波檢測(cè)到的距離大于10 cm時(shí)，觸發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，打開垃圾桶。然而，嚴(yán)格意義上講這些仍不屬于智能垃圾桶，無法普及且性價(jià)比低。為了更加便利人們的生活，同時(shí)秉承保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的理念，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)控制的智能垃圾桶系統(tǒng)終端，旨在建立一個(gè)完整、高效的信息系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，利用該信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)垃圾的智能回收、分類、再利用，省去居民自行對(duì)垃圾種類進(jìn)行判斷的過程，提高垃圾的分類和回收效率。在可行性和推廣性上門檻較低，終端設(shè)備高度整合，經(jīng)濟(jì)效益好；隨著項(xiàng)目推廣的生產(chǎn)成本邊際遞減，設(shè)備單價(jià)也將大幅下降。

1 系統(tǒng)方案

本項(xiàng)目基于STM32單片機(jī)、CMUCAM3圖像識(shí)別模塊、SI1102紅外檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的識(shí)別與分類，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分類。當(dāng)識(shí)別到有人靠近終端檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)打開對(duì)應(yīng)位置垃圾桶，然后在垃圾桶內(nèi)部對(duì)常見的垃圾進(jìn)行分類，分類完成后關(guān)閉垃圾桶。系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域內(nèi)回收終端各垃圾種類所占比例，變更不同料倉的空間比例，并就近設(shè)置相應(yīng)的可回收品回收站點(diǎn)。當(dāng)人手或物體接近投料口（感應(yīng)窗）約25～35 cm時(shí)，垃圾桶蓋會(huì)自動(dòng)開啟，待垃圾投入3～4 s后桶蓋又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，人和物不需接觸垃圾桶，還能夠防止桶內(nèi)垃圾氣味溢出，解除了傳統(tǒng)垃圾桶存在的細(xì)菌感染的隱患，能有效阻絕各種傳染性疾病通過垃圾進(jìn)行傳播。同時(shí)，當(dāng)識(shí)別到垃圾桶滿等情況時(shí)系統(tǒng)還會(huì)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。與市場(chǎng)智能垃圾箱相比，本產(chǎn)品能夠自動(dòng)識(shí)別垃圾并分類，垃圾識(shí)別類型多，包含可回收垃圾、有毒垃圾、其他垃圾，且產(chǎn)品成本低廉、體積小。

2 器件選擇

本設(shè)計(jì)采用STM32微控制器作為終端的主控模塊。STM32芯片是一種基于Cortex的芯片，該系列中的很多芯片是專門迎合當(dāng)下社會(huì)發(fā)展需求的，例如適合低功耗、高性能、混合信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)系列的汽車應(yīng)用；多數(shù)設(shè)計(jì)都需要它的底層環(huán)境，它的型號(hào)種類繁多，能夠滿足大部分要求。芯片類型主要可以細(xì)分為硬件DSP、微控制器硬件MCU、微處理器和軟件SOC。STM32是一種MCU，屬于嵌入式技術(shù)。STM32的首要優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)秀的實(shí)時(shí)功能，同時(shí)它還有著杰出的功耗控制能力和極低的開發(fā)成本以及超低的價(jià)格[6]。

傳感器技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，因具有生產(chǎn)效能和信息傳播的安全可靠性在日常生活生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[7-9]。本設(shè)計(jì)采用CMUCAM3傳感器作為圖像識(shí)別模塊。KTROBOT01 CMUCAM3是一個(gè)基于ARM7的完全可編程的嵌入式計(jì)算機(jī)視覺傳感器，它是以智能傳感器的形式給小型機(jī)器人系統(tǒng)提供視覺能力。CMUCAM3主要的處理器是連接到OV CMOS攝像傳感器模塊的32位ARM處理器NXP LPC2106，其開放的源碼環(huán)境供用戶進(jìn)行嵌入式圖像處理的二次開發(fā)。CMUCAM3為智能機(jī)器人擴(kuò)展了嵌入式圖像處理能力，主要功能有跟蹤高對(duì)比度的區(qū)域、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、顏色識(shí)別和檢測(cè)；同時(shí)CMUCAM3還能輸出不同的視頻格式到計(jì)算機(jī)進(jìn)行額外的圖像處理[7]。

本設(shè)計(jì)采用SI1102紅外接近傳感器作為紅外檢測(cè)模塊。SI1102是一款高性能的接近檢測(cè)傳感器，可以檢測(cè)到50 cm以內(nèi)的人體；它工作在單脈沖檢測(cè)模式，功耗較低，檢測(cè)門限和檢測(cè)頻率可調(diào)；具有PRX狀態(tài)的鎖存功能，可減少誤檢和漏檢；通過400 mA的LED驅(qū)動(dòng)電流維持工作。

3 電路設(shè)計(jì)

采用5 V的28BYJ48步進(jìn)電機(jī)，電流約為200 mA，用ULN2003驅(qū)動(dòng)，端口號(hào)為P0.0、P0.1、P0.2、P0.3，分別對(duì)應(yīng)編碼A、B、C、D[10]，見表1所列。

表1 28BYJ48電機(jī)正轉(zhuǎn)表

4 程序編寫與仿真調(diào)試

本系統(tǒng)在Keil μVision4環(huán)境下進(jìn)行仿真調(diào)試，如圖1所示，主要采用C語言進(jìn)行開發(fā)。與機(jī)器裝配語言進(jìn)行比較表明，使用C語言可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的整體配置和可讀性。Keil μVision4內(nèi)部集成了較為豐富的庫函數(shù)可以供使用者隨時(shí)讀取調(diào)用，并與Microsoft系統(tǒng)具有良好的兼容性。在這種環(huán)境下編譯程序成功的概率比較大，尤其是在完成較大的軟件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)更容易展現(xiàn)Keil μVision4的優(yōu)勢(shì)。

圖1 Keil μVision4界面

在目標(biāo)文件中建立Hex文件，出現(xiàn)如圖2所示對(duì)話框時(shí)點(diǎn)擊Create Hex File，確認(rèn)之后可以新建Hex文件，在燒錄時(shí)就可以對(duì)“.c”文件進(jìn)行操作。

圖2 Hex文件的建立

Proteus 8軟件和Keil μVision4編程開發(fā)工具需要相互配合使用，具體操作步驟如下：

（1）打開Proteus 8軟件，在屏幕上有繪圖窗口，還有視圖小窗口，以及元器件的列表和控制、編譯按鈕。

（2）新建一個(gè)工程，在所選的工程文件中，選擇合適的元器件進(jìn)行布線，即可繪制所需要的電路原理圖。

（3）打開Keil μVision4軟件開始編寫程序，然后點(diǎn)擊編譯按鈕完成編譯后生成Hex文件。

（4）在左側(cè)繪圖窗口中雙擊自己設(shè)計(jì)的STM32單片機(jī)，然后根據(jù)需要來修改硬件參數(shù)。

（5）點(diǎn)擊Program File，將之前生成的Hex文件加載進(jìn)去。

（6）在設(shè)置完成后點(diǎn)擊關(guān)閉窗口，運(yùn)行仿真。

5 功能測(cè)試

程序調(diào)試和刻錄完成后，執(zhí)行功能測(cè)試。首先，系統(tǒng)通過紅外接近傳感器檢測(cè)到信號(hào)，即檢測(cè)到有人接近垃圾桶，并且判斷出人手或物體接近投料口（感應(yīng)窗）約25～35 cm時(shí)，會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)位置垃圾桶開啟；然后系統(tǒng)內(nèi)部的圖像識(shí)別傳感器會(huì)將投放的垃圾與系統(tǒng)內(nèi)的垃圾種類圖片進(jìn)行對(duì)比，完成分類。如果5 s內(nèi)沒有垃圾被投入垃圾桶，系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)垃圾桶自動(dòng)關(guān)閉。系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)區(qū)域內(nèi)回收終端內(nèi)各種類垃圾所占比例，變更不同料倉的空間比例，并就近設(shè)置相應(yīng)的可回收品回收站點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)垃圾進(jìn)行智能分類、回收的功能，不需要垃圾投放者自行對(duì)垃圾種類進(jìn)行判斷，提高了垃圾的分類和回收效率。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)控制的智能垃圾分類終端，符合國家政策導(dǎo)向和現(xiàn)實(shí)需要。該系統(tǒng)能夠在人們投放垃圾時(shí)進(jìn)行智能輔助分類，提高垃圾分類和回收效率，減少污染；并且可以通過顯示屏了解投放垃圾所屬的具體類別，提高人們垃圾分類和環(huán)保的意識(shí)。相比于市場(chǎng)上其他的智能垃圾箱，本產(chǎn)品能夠做到自動(dòng)識(shí)別垃圾和分類，并且垃圾識(shí)別類型多，包含可回收垃圾、有毒垃圾、其他垃圾，且產(chǎn)品成本低廉、體積小，適合大范圍推廣。