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基于嵌入式的垃圾分类控制系统设计

2024-07-22 47 上传者：管理员

摘要：垃圾智能分类能够提高垃圾的利用效率，改善生活环境。随着智能技术的发展，智能垃圾分类成为研究的热点。针对智能垃圾分类系统的组成部分—基于嵌入式垃圾分类控制系统，给出了垃圾分类控制系统总体设计方案，从硬件设计和软件设计两方面对系统进行了详细的阐述。最后经过组装调试，实现了根据垃圾类型自动分类并运输到相应垃圾桶的功能，以及在垃圾桶内垃圾超过预定高度时进行远程短信预警的功能，并且系统运行稳定。

关键词：
分类运输
垃圾分类
嵌入式
控制系统
智能垃圾桶
短信预警
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随着社会的发展，垃圾数量逐年增加。2016—2019年，全国大、中城市生活垃圾产生量年均增长率超过7.7%[1]。随着垃圾产生量的增多，垃圾分类处理变得尤为重要，合理的分类处理方法将直接影响垃圾回收的价值和垃圾处理的效率[2,3,4]。当前，我国垃圾分类制度不够完善，人们的垃圾分类意识也较淡薄，缺乏分类的主动性[5,6]。而智能化垃圾分类处理方法能够有效地改善城乡环境，提高垃圾利用效率[7,8]。随着智能化技术的发展，越来越多的智能化技术被运用到垃圾分类系统，垃圾分类系统的研究逐渐成为当下的一个热点[9]。本文主要研究基于嵌入式的垃圾分类控制系统，它是智能垃圾分类系统的一个重要组成部分，其主要功能是根据垃圾类型通过控制电机带动履带运送垃圾到对应种类的垃圾箱。当垃圾箱里面的垃圾超过设定高度，系统将自动发送报警短信给垃圾箱管理员，请管理员及时处理，实现智能分类运送和智能报警的功能。

1、系统总体方案设计

通常垃圾被分为四类，包括可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾、其他垃圾[10]。基于嵌入式的垃圾分类控制系统作为智能垃圾分类系统的一部分，主要从串口接收来自上位机的垃圾种类信息，根据垃圾类别，通过控制电机运转带动履带将不同种类的垃圾运输到指定垃圾箱位置，再由舵机将垃圾推送到指定垃圾箱中，从而达到对垃圾进行分类处理的目的。同时在垃圾箱特定位置安装了传感器模块，传感器模块检测垃圾是否堆积到模块安装位置，如果垃圾到达传感器模块安装位置，传感器模块将会检测到信号并发送给控制器，控制器通过通信模块发出预警，并短信提醒工作人员及时处理垃圾。

2、系统硬件设计

嵌入式垃圾分类控制系统的硬件结构如图1所示，主要包括控制器模块、电机模块、舵机模块、红外传感器模块、GPRS通信模块。

图1系统硬件结构

2.1控制器模块

控制器模块选择STM32系列的STM32F103ZET6单片机，主要负责通过串口接收上位机垃圾种类信息，控制电机模块和舵机模块将垃圾运送到对应类别的垃圾箱，同时控制器模块根据传感器模块信息发送预警短信到指定手机，提醒工作人员处理垃圾箱的垃圾。系统采用12 V锂电池供电，电源通过DC-DC转换器将12 V电压转换成5 V电压，通过稳压芯片ASM1117将5 V电压转换至3.3 V，为控制器和各个模块提供电压。

2.2电机模块

电机模块由28BYJ48步进电机和ULN2003驱动器芯片组成。28BYJ48步进电机是一种常见的四相八拍型电机，它在控制方面相对简单，只需通过控制不同的线圈组合方式即可实现不同步距角和方向的旋转。通过设定电机的转速和转动时间可以带动履带运送垃圾到不同的垃圾箱位置。

2.3舵机模块

舵机模块选择SG90S舵机，控制器通过控制PWM脉冲的占空比，改变舵机输出轴的位置，输出轴带动臂长杆转动相应的角度，将分类后的垃圾推入到指定垃圾箱。单片机发送的PWM信号脉冲宽度0.5 ms对应舵机输出轴转角-90°，而2.5 ms对应舵机输出轴转角90°，二者的绝对值加起来刚好180°，可以将履带上的垃圾推入相应位置的垃圾箱。

2.4红外传感器模块

红外传感器模块由红外线发射管、滤光片、红外线接收管等部件组成，当发射管发射出一定频率的红外线时，在检测方向遇到障碍物，红外线被反射回来并被接收管接收；经过比较器电路处理后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号，这个信号将作为后续报警信息发射的条件之一。

2.5 GSM通信模块

选取SIM800C模块作为GSM通信模块，通过串口和控制器相连，控制器根据收集到的红外传感器报警信号并且5 s后依然能够收到报警信号来判断是正常的垃圾投放导致的红外传感器报警，控制器发送报警短信给指定的手机号码，通知工作人员及时处理垃圾。

3、系统软件设计

3.1垃圾分类运输模块程序设计

垃圾运输模块程序主要是先接收上位机的垃圾类型信息数据，然后控制器根据垃圾类型控制步进电机的运转带动履带将垃圾运输到对应垃圾箱位置，再控制舵机将垃圾扫入对应种类的垃圾箱。

图2所示为垃圾分类运输模块程序流程，该模块的主要功能是传输垃圾到指定垃圾箱位置，然后用舵机模块带动挡板将垃圾推入对应垃圾箱。系统初始化后，上位机发动垃圾类型识别，垃圾类型“1”代表运输垃圾类型为可回收垃圾，选用单四拍通电模式运行电机，设定参数使电机运转一圈需要花费24.576 s，24.576 s后电机运转1圈；垃圾类型“2”代表运输垃圾类型为厨余垃圾，设定参数使电机运转一圈需要花费12.288 s，24.576 s后电机将运转2圈；垃圾类型“3”代表运输垃圾类型为有害垃圾，设定参数使电机运转一圈需要花费8.192 s，24.576 s后电机将运转3圈；上位机传递信息“4”，代表运输垃圾类型为其他垃圾，设定参数使电机运转一圈需要花费6.144 s，24.576 s后电机将运转4圈。电机运转不同的圈数，电机带动履带运送垃圾到不同的位置，具体的转动距离可以根据垃圾箱的几何尺寸设定，不同的位置放置对应垃圾类型的垃圾桶；电机停止转动后，舵机带动挡板转动180°，挡板将履带上的垃圾推入对应的垃圾桶，垃圾分类运输结束。

图2垃圾分类运输模块程序流程

3.2垃圾检测预警模块程序设计

该模块对垃圾箱内的垃圾进行检测和预警。红外传感器每隔一定时间通过单片机的定时器中断程序对垃圾进行检测，如果红外传感器被遮挡且持续5 s以上，单片机则通过GSM通信模块SIM800C向工作人员发送预警短信，提醒其对垃圾箱进行清理。

图3所示为垃圾桶内垃圾检测预警流程。调整红外传感器感应范围，将其放置在距离垃圾桶最高处5 cm的截面的对角位置，当有垃圾被红外传感器检测到，传感器输出引脚变为低电平，延时5 s后该引脚依然为低电平，表示遮挡垃圾长期存在，垃圾超过检测高度；此时控制器通过通信模块给管理员手机发送预警短信，通知其垃圾桶快装满需尽快处理垃圾桶里面的垃圾。

图3垃圾检测预警流程

4、模块测试

根据设计方案，对各个模块进行测试，测试的主要内容见表1所列。

模块测试完成后对系统进行联调，用串口调试助手模拟上位机软件，给控制器发送垃圾类型信息，将垃圾类型设定为“1”表示垃圾为可回收垃圾，设定为“2”表示垃圾为厨余垃圾，设定为“3”表示垃圾为有害垃圾，设定为“4”表示垃圾为其他垃圾。系统根据串口发送的垃圾信息，控制电机转动速度，带动履带移动不同的距离，实现垃圾的运输；然后控制舵机转动180°完成垃圾推送任务。同时当控制器5 s内都能接收到红外检测模块因红外线遮蔽发送的信号时，控制器通过通信模块发送“该垃圾箱已填满，请尽快处理!”的短信到相应手机。测试结果表明，系统基本能够实现垃圾的运送、投递和报警功能。

5、结语

随着智能化设备的发展和垃圾总量的增加，智能垃圾分类系统的研究将具有重要意义。本文研究基于嵌入式的垃圾分类控制系统，阐述了控制系统的硬件和软件设计。经过安装测试表明，通过各个模块的互相作用能够实现预期的两大基本功能。在实际测试中，该系统运行稳定、可靠，对智能垃圾分类系统的实现有一定的意义。

表1测试方案

参考文献:

[1]蒋霞,于丽,张玥,等.城市生活垃圾分类政策执行中的问题与对策分析[J].再生资源与循环经济,2023,44(3):24-28.

[2]邵丰宇,赵春明,姚伟健.智能垃圾分类系统的设计与实现[J].物联网技术,2023,13(4):116-119.

[3]黄国维.基于深度学习的城市垃圾桶智能分类研究[D].淮南:安徽理工大学,2019.

[4]陈牧图,谭睿,石垒垒,等.基于深度学习的智能垃圾分类系统设计[J].电子测试,2022,36(17):12-14.

[5]梁旭东.基于深度学习的智能垃圾分类系统研究[D].西安:西安建筑科技大学,2021.

[6]吴启春,夏润禹,李阳,等.基于嵌入式的智能垃圾分类柜[J].工业控制计算机,2021,34(8):85-86.

[7]徐飞洋,李玉晓.基于FPGA的智能垃圾分类装置[J].现代信息科技,2020,4(9):22-25.

[8]张文玮.智能自动分类垃圾箱算法设计及其嵌入式实现[D].西安:西安理工大学,2021.

[9]李金玉,陈晓雷,张爱华,等.基于深度学习的垃圾分类方法综述[J].计算机工程,2022,48(2):1-9.

[10]战秋成,季龙华,赵际云,等.基于深度学习的智能垃圾分类系统研究[J].机械工程师,2022,54(8):100-103.

基金资助:成都市科技项目:基于嵌入式的智能自动分类垃圾箱设计(2022-YF05-00812-SN);教育部2021年产学协同合作育人项目:校企合作的嵌入式实习实训基地建设探索(202102046084);成都大学2022年校级实验教学与改革项目:工科专业实验室管理的改革与创新(cdsyjg2022049);

文章来源:廖先莉,朱伟丰.基于嵌入式的垃圾分类控制系统设计[J].物联网技术,2024,14(07):74-76.