智能垃圾分拣系统的设计

郜 辉，吕志刚，王 宾，毛 琳，王 辛

（西安工业大学 电子信息工程学院，西安710032）

早在2004年中国就已经超越美国成为世界第一垃圾制造大国[1]，这些垃圾大多数通过土埋或者远距离堆放，尽管远离人们所生活的场所，但也不能完全隔开污染，所造成的污染不会凭空消失，它们会在大自然生态系统的周期性中再次回到生活中，通过可接触到的种种资源，危害生命健康[2]。

垃圾分类检测装置能大幅度提高垃圾的转换效率[3]，能够让垃圾在投入时就已经实现分类，进而能够为垃圾的投放、转运、回收处理提高一定的效率，可节省土地，减少焚烧污染，资源回收可利用更便利化[4]。

通过对垃圾种类的辨别，在此设计了一套智能垃圾分拣系统。该系统包括一个智能垃圾分拣装置和一个服务器，智能垃圾分拣装置负责检测垃圾并对垃圾进行分类，对检测结果进行上传，服务器负责接收和存储垃圾数据，有助于对居民生活状态进行分析。智能垃圾分拣系统能有效提高垃圾回收效率，达到保护环境的目的，减少环卫工人的工作难度，同时可提高资源的可回收利用，对生态环境有着重大作用。

1 智能垃圾分拣系统设计指标

通过分析常见垃圾的种类，以及世界各类智能垃圾桶发展的趋势，该系统对日常常见垃圾进行了分类，并以此为依据设计了智能垃圾分拣系统设计指标。该指标具体如下：①实现4 类垃圾（可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾）的检测；②检测时间不超过5 s；③检测后的显示结果清晰直观；④可自动对垃圾进行分类投放；⑤服务器可存储垃圾分类信息。

在此，通过对城市居民生活中常见垃圾的颜色、气味、导电性、含水分程度进行参考研究，综合国内外智能垃圾桶的调查研究结果[5]，选定了可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾等4 类垃圾为检测对象。这4 类垃圾物理特性分析见表1。

表1 四类垃圾物理特性分析Tab.1 Analysis of physical characteristics of four types of garbage

可回收垃圾主要包括塑料、玻璃、金属等，其中金属类可回收垃圾可直接测量判定，塑料与玻璃可回收垃圾可通过垃圾透明度进行判定；厨余垃圾主要包括剩菜剩饭、菜根菜叶、果皮等，可通过检测垃圾湿度进行判别；有害垃圾主要包括废电池、废日光灯、废水银温度计等，可通过既包含金属成分，又包含其他材料进行判别；其他垃圾，主要有砖瓦陶瓷、渣土等，可通过检测垃圾密度进行判别。

2 智能垃圾分拣系统硬件设计

该系统采用STM32F103ZET6 芯片作为主控芯片，由金属传感器、透明度传感器、湿度传感器、质量传感器、GPS 定位模块、显示模块、报警模块、服务器端、电机控制模块组成。垃圾投入智能垃圾分拣装置后，传感器模块按顺序动作，将所测得信号传至STM32 单片机，经判断后检测出所属垃圾分类，通过显示模块显示分类结果，通过报警模块提示垃圾属于4 类垃圾之外的垃圾，通过电机控制模块分类投放垃圾，通过服务器端显示垃圾分类数据。智能垃圾分拣系统总体硬件如图1 所示。

图1 智能垃圾分拣系统总体硬件框图Fig.1 Overall hardware block diagram of intelligent garbage sorting system

2.1 金属传感器模块

金属传感器模块为智能垃圾分拣系统的检测模块之一，用于判断所测物体是否为金属，当有金属垃圾靠近时，金属传感器的指示灯就会亮；在振荡器中会产生交变磁场，金属垃圾内产生涡流就会使金属振荡器减弱，直至停止振荡。这个从振荡到停止振荡的过程让后级放大电路转成了开关信号，从而检测到是否有金属类垃圾。此类检测无需接触，检测距离为4 mm。在此所采用的LJ12A3-4-Z/BX电感式金属传感器响应量变化程度高，响应时间短，抵抗外部干扰性强，工作稳定可靠，大部分以黄铜镀镍探头为主。金属传感器模块电路连接如图2所示。

图2 金属传感器模块电路连接Fig.2 Circuit connection of metal sensor module

2.2 透明度传感器模块

透明度传感器为智能垃圾分拣系统的检测模块之一。该传感器采用红外对管，用于识别物体透明度，检测是否为塑料、玻璃类垃圾。当塑料、玻璃类有透明度的垃圾进入红外对管传感器的检测范围时，红外对管的发射端发射光束，接收端来接收光束，接收端判断收到的光线亮或不亮，以此检测塑料与玻璃类有透明度的垃圾。透明度传感器还用于检测每个垃圾桶是否已满，如果装满则通知工作人员来处理垃圾。透明度传感器电路连接如图3所示。

图3 透明度传感器电路连接Fig.3 Transparency sensor circuit connection

2.3 湿度传感器模块

湿度传感器为智能垃圾分拣系统的检测模块之一，用于对果皮、剩菜剩饭等垃圾进行检测，检测垃圾是否有含水分。该检测采取接触式检测，以达到测量更为准确的目的。该传感器部分设计有可调变阻器，可以通过调节该变阻器来调节湿度的阀值。湿度传感器电路连接如图4 所示。

图4 湿度传感器电路连接Fig.4 Circuit connection of humidity sensor

2.4 质量传感器模块

质量传感器为智能垃圾分拣系统的检测模块之一，用于检测垃圾的密度，以区分是否为其他垃圾。该设计采用电子称变送器模块，DC 5 V 供电，RS485 输出，工作电流小于10 mA，最大可测量10 kg的物品。对固定体积的垃圾测量重量，以计算垃圾的密度。质量传感器模块电路连接如图5 所示。

图5 质量传感器模块电路连接Fig.5 Circuit connection of mass sensor module

2.5 显示模块

通过单片机传递的信号显示当前测量结果，显示当前垃圾属于什么垃圾。经传感器检测，若为此类垃圾则显示所对应垃圾种类的汉字。显示模块由TFT-LCD 显示屏来显示汉字。显示模块电路连接如图6 所示。

图6 显示模块电路连接Fig.6 Display module circuit connection

2.6 报警模块

当一系列传感器检测完后，若都不属于上述4类垃圾，则蜂鸣器发出滴声。报警模块电路连接如图7 所示。

图7 报警模块电路连接Fig.7 Circuit connection of alarm module

2.7 GPS 定位模块与服务器端

GPS 定位模块检测垃圾桶的位置，并将GPS 定位信息通过RS232 串口上传到服务器端。服务器端用来处理智能垃圾分拣系统的检测数据，统计各种垃圾的数据及比例，并在上位机软件上面进行显示，便于工作人员统计垃圾数据。该系统通过RS232通信，将垃圾检测信息上传至服务器端，RS232 通信模块电路连接如图8 所示。

2.8 电机控制模块

检测出垃圾种类后，STM32 主控模块会控制电机控制模块将垃圾投放到对应的垃圾桶内，使垃圾达到分类处理的目的。该系统采用ULN2003 芯片作为电机驱动芯片，通过四线制的脉冲信号以控制电机的正反转。电机控制模块电路连接如图9所示。

图8 RS232 通信模块电路连接Fig.8 RS232 communication module circuit connection

图9 电机控制模块电路连接Fig.9 Motor control module circuit connection

3 智能垃圾分拣系统总体软件设计

当垃圾投置于智能垃圾分拣装置内时，垃圾需要处在5 种传感器检测模块都能检测到的范围中，此时再按下开启按键。当按键按下后，认为有垃圾投入智能垃圾分拣装置中，则将开始一轮检测：金属传感器先进行检测，如果含有金属，则继续判断是否含有其他材料，若含有其他材料则视为有害垃圾，若不包含其他材料则为可回收垃圾；如果不包含金属材料，则判断是否为透明垃圾，若为透明垃圾则作为可回收垃圾，如果不是透明垃圾，则判断垃圾是否是湿的；若为湿的则为厨余垃圾，如果垃圾不是湿的，则判断垃圾密度，密度大的为其他垃圾，密度小的为未知垃圾。垃圾分类检测完成后，电机控制模块将垃圾投放到相应的垃圾桶中，并将垃圾桶位置信息、垃圾桶装满信息、垃圾种类信息、数量信息上传至服务器端。智能垃圾分拣系统总体软件流程如图10 所示。

4 智能垃圾分拣系统服务器设计

在OneNET 开发平台上，使用模块化编程对智能垃圾分拣系统服务器进行设计。服务器主要功能如下：获取可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾、 未知垃圾的垃圾数量及各个垃圾的占比信息，服务器可以显示智能垃圾分拣装置是否装满，还可以显示智能垃圾分拣系统的位置信息，垃圾装满后会在服务器报警，可以指派工作人员对垃圾进行处理。智能垃圾分拣系统服务器端界面如图11所示。

图10 智能垃圾分拣系统总体软件流程Fig.10 Overall software flow chart of intelligent garbage sorting system

图11 智能垃圾分拣系统服务器端界面Fig.11 Interface of intelligent garbage sorting system server

5 结语

所设计的智能垃圾分拣系统，包括1 个智能垃圾分拣装置和1 个服务器。该系统可以帮助人们高效的分拣回收垃圾。智能垃圾分拣装置采用STM32作为主控制器，通过各种传感器自动检测垃圾种类，通过执行机构将相应垃圾放进对应的垃圾桶中，在智能垃圾分拣装置上显示垃圾检测结果，并将垃圾桶位置信息、垃圾桶装满信息、垃圾种类信息、数量信息进行统计上传到服务器，通过对垃圾数据处理分析居民的生活状态。智能垃圾分拣系统能有效提高垃圾回收效率，达到保护环境的目的，减少环卫工人的工作难度，同时可提高资源的可回收利用对生态环境有着重大作用。