基于嵌入式的垃圾分類控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：垃圾智能分類能夠提高垃圾的利用效率，改善生活環(huán)境。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，智能垃圾分類成為研究的熱點(diǎn)。針對(duì)智能垃圾分類系統(tǒng)的組成部分—基于嵌入式垃圾分類控制系統(tǒng)，給出了垃圾分類控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。最后經(jīng)過組裝調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)垃圾類型自動(dòng)分類并運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)垃圾桶的功能，以及在垃圾桶內(nèi)垃圾超過預(yù)定高度時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程短信預(yù)警的功能，并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：嵌入式；垃圾分類；控制系統(tǒng)；分類運(yùn)輸；短信預(yù)警；智能垃圾桶

中圖分類號(hào)：TP11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，垃圾數(shù)量逐年增加。2016—2019年，全國(guó)大、中城市生活垃圾產(chǎn)生量年均增長(zhǎng)率超過7.7%[1]。隨著垃圾產(chǎn)生量的增多，垃圾分類處理變得尤為重要，合理的分類處理方法將直接影響垃圾回收的價(jià)值和垃圾處理的效率[2-4]。當(dāng)前，我國(guó)垃圾分類制度不夠完善，人們的垃圾分類意識(shí)也較淡薄，缺乏分類的主動(dòng)性[5-6]。而智能化垃圾分類處理方法能夠有效地改善城鄉(xiāng)環(huán)境，提高垃圾利用

效率[7-8]。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能化技術(shù)被運(yùn)用到垃圾分類系統(tǒng)，垃圾分類系統(tǒng)的研究逐漸成為當(dāng)下的一個(gè)熱點(diǎn)[9]。本文主要研究基于嵌入式的垃圾分類控制系統(tǒng)，它是智能垃圾分類系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其主要功能是根據(jù)垃圾類型通過控制電機(jī)帶動(dòng)履帶運(yùn)送垃圾到對(duì)應(yīng)種類的垃圾箱。當(dāng)垃圾箱里面的垃圾超過設(shè)定高度，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信給垃圾箱管理員，請(qǐng)管理員及時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)智能分類運(yùn)送和智能報(bào)警的功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通常垃圾被分為四類，包括可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾[10]?；谇度胧降睦诸惪刂葡到y(tǒng)作為智能垃圾分類系統(tǒng)的一部分，主要從串口接收來自上位機(jī)的垃圾種類信息，根據(jù)垃圾類別，通過控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)履帶將不同種類的垃圾運(yùn)輸?shù)街付ɡ湮恢茫儆啥鏅C(jī)將垃圾推送到指定垃圾箱中，從而達(dá)到對(duì)垃圾進(jìn)行分類處理的目的。同時(shí)在垃圾箱特定位置安裝了傳感器模塊，傳感器模塊檢測(cè)垃圾是否堆積到模塊安裝位置，如果垃圾到達(dá)傳感器模塊安裝位置，傳感器模塊將會(huì)檢測(cè)到信號(hào)并發(fā)送給控制器，控制器通過通信模塊發(fā)出預(yù)警，并短信提醒工作人員及時(shí)處理垃圾。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式垃圾分類控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括控制器模塊、電機(jī)模塊、舵機(jī)模塊、紅外傳感器模塊、GPRS通信模塊。

2.1 控制器模塊

控制器模塊選擇STM32系列的STM32F103ZET6單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)通過串口接收上位機(jī)垃圾種類信息，控制電機(jī)模塊和舵機(jī)模塊將垃圾運(yùn)送到對(duì)應(yīng)類別的垃圾箱，同時(shí)控制器模塊根據(jù)傳感器模塊信息發(fā)送預(yù)警短信到指定手機(jī)，提醒工作人員處理垃圾箱的垃圾。系統(tǒng)采用12 V鋰電池供電，電源通過DC-DC轉(zhuǎn)換器將12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，通過穩(wěn)壓芯片ASM1117將5 V電壓轉(zhuǎn)換至3.3 V，為控制器和各個(gè)模塊提供電壓。

2.2 電機(jī)模塊

電機(jī)模塊由28BYJ48步進(jìn)電機(jī)和ULN2003驅(qū)動(dòng)器芯片組成。28BYJ48步進(jìn)電機(jī)是一種常見的四相八拍型電機(jī)，它在控制方面相對(duì)簡(jiǎn)單，只需通過控制不同的線圈組合方式即可實(shí)現(xiàn)不同步距角和方向的旋轉(zhuǎn)。通過設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間可以帶動(dòng)履帶運(yùn)送垃圾到不同的垃圾箱位置。

2.3 舵機(jī)模塊

舵機(jī)模塊選擇SG90S舵機(jī)，控制器通過控制PWM脈沖的占空比，改變舵機(jī)輸出軸的位置，輸出軸帶動(dòng)臂長(zhǎng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，將分類后的垃圾推入到指定垃圾箱。單片機(jī)發(fā)送的PWM信號(hào)脈沖寬度0.5 ms對(duì)應(yīng)舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角-90°，而2.5 ms對(duì)應(yīng)舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角90°，二者的絕對(duì)值加起來剛好180°，可以將履帶上的垃圾推入相應(yīng)位置的垃圾箱。

2.4 紅外傳感器模塊

紅外傳感器模塊由紅外線發(fā)射管、濾光片、紅外線接收管等部件組成，當(dāng)發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線時(shí)，在檢測(cè)方向遇到障礙物，紅外線被反射回來并被接收管接收；經(jīng)過比較器電路處理后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)，這個(gè)信號(hào)將作為后續(xù)報(bào)警信息發(fā)射的條件之一。

2.5 GSM通信模塊

選取SIM800C模塊作為GSM通信模塊，通過串口和控制器相連，控制器根據(jù)收集到的紅外傳感器報(bào)警信號(hào)并且5 s后依然能夠收到報(bào)警信號(hào)來判斷是正常的垃圾投放導(dǎo)致的紅外傳感器報(bào)警，控制器發(fā)送報(bào)警短信給指定的手機(jī)號(hào)碼，通知工作人員及時(shí)處理垃圾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 垃圾分類運(yùn)輸模塊程序設(shè)計(jì)

垃圾運(yùn)輸模塊程序主要是先接收上位機(jī)的垃圾類型信息數(shù)據(jù)，然后控制器根據(jù)垃圾類型控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)履帶將垃圾運(yùn)輸?shù)綄?duì)應(yīng)垃圾箱位置，再控制舵機(jī)將垃圾掃入對(duì)應(yīng)種類的垃圾箱。

圖2所示為垃圾分類運(yùn)輸模塊程序流程，該模塊的主要功能是傳輸垃圾到指定垃圾箱位置，然后用舵機(jī)模塊帶動(dòng)擋板將垃圾推入對(duì)應(yīng)垃圾箱。系統(tǒng)初始化后，上位機(jī)發(fā)動(dòng)垃圾類型識(shí)別，垃圾類型“1”代表運(yùn)輸垃圾類型為可回收垃圾，選用單四拍通電模式運(yùn)行電機(jī)，設(shè)定參數(shù)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈需要花費(fèi)24.576 s，24.576 s后電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)1圈；垃圾類型“2”代表運(yùn)輸垃圾類型為廚余垃圾，設(shè)定參數(shù)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈需要花費(fèi)12.288 s，24.576 s后電機(jī)將運(yùn)轉(zhuǎn)2圈；垃圾類型“3”代表運(yùn)輸垃圾類型為有害垃圾，設(shè)定參數(shù)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈需要花費(fèi)8.192 s， 24.576 s后電機(jī)將運(yùn)轉(zhuǎn)3圈；上位機(jī)傳遞信息“4”，代表運(yùn)輸垃圾類型為其他垃圾，設(shè)定參數(shù)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈需要花費(fèi)6.144 s，24.576 s后電機(jī)將運(yùn)轉(zhuǎn)4圈。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不同的圈數(shù)，電機(jī)帶動(dòng)履帶運(yùn)送垃圾到不同的位置，具體的轉(zhuǎn)動(dòng)距離可以根據(jù)垃圾箱的幾何尺寸設(shè)定，不同的位置放置對(duì)應(yīng)垃圾類型的垃圾桶；電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，舵機(jī)帶動(dòng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng)180°，擋板將履帶上的垃圾推入對(duì)應(yīng)的垃圾桶，垃圾分類運(yùn)輸結(jié)束。

3.2 垃圾檢測(cè)預(yù)警模塊程序設(shè)計(jì)

該模塊對(duì)垃圾箱內(nèi)的垃圾進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警。紅外傳感器每隔一定時(shí)間通過單片機(jī)的定時(shí)器中斷程序?qū)M(jìn)行檢測(cè)，如果紅外傳感器被遮擋且持續(xù)5 s以上，單片機(jī)則通過GSM通信模塊SIM800C向工作人員發(fā)送預(yù)警短信，提醒其對(duì)垃圾箱進(jìn)行清理。

圖3所示為垃圾桶內(nèi)垃圾檢測(cè)預(yù)警流程。調(diào)整紅外傳感器感應(yīng)范圍，將其放置在距離垃圾桶最高處5 cm的截面的對(duì)角位置，當(dāng)有垃圾被紅外傳感器檢測(cè)到，傳感器輸出引腳變?yōu)榈碗娖?，延時(shí)5 s后該引腳依然為低電平，表示遮擋垃圾長(zhǎng)期存在，垃圾超過檢測(cè)高度；此時(shí)控制器通過通信模塊給管理員手機(jī)發(fā)送預(yù)警短信，通知其垃圾桶快裝滿需盡快處理垃圾桶里面的垃圾。

4 模塊測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的主要內(nèi)容見表1所列。

模塊測(cè)試完成后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，用串口調(diào)試助手模擬上位機(jī)軟件，給控制器發(fā)送垃圾類型信息，將垃圾類型設(shè)定為“1”表示垃圾為可回收垃圾，設(shè)定為“2”表示垃圾為廚余垃圾，設(shè)定為“3”表示垃圾為有害垃圾，設(shè)定為“4”表示垃圾為其他垃圾。系統(tǒng)根據(jù)串口發(fā)送的垃圾信息，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，帶動(dòng)履帶移動(dòng)不同的距離，實(shí)現(xiàn)垃圾的運(yùn)輸；然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°完成垃圾推送任務(wù)。同時(shí)當(dāng)控制器5 s內(nèi)都能接收到紅外檢測(cè)模塊因紅外線遮蔽發(fā)送的信號(hào)時(shí)，控制器通過通信模塊發(fā)送“該垃圾箱已填滿，請(qǐng)盡快處理！”的短信到相應(yīng)手機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的運(yùn)送、投遞和報(bào)警功能。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著智能化設(shè)備的發(fā)展和垃圾總量的增加，智能垃圾分類系統(tǒng)的研究將具有重要意義。本文研究基于嵌入式的垃圾分類控制系統(tǒng)，闡述了控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過安裝測(cè)試表明，通過各個(gè)模塊的互相作用能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的兩大基本功能。在實(shí)際測(cè)試中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，對(duì)智能垃圾分類系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有一定的意義。

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