基于STM32的智能垃圾分拣系统

2024-04-28 06:36孙荣耀孟锦涛叶方雨
无线互联科技 2024年5期
关键词:重量电源垃圾

孙荣耀,孟锦涛,叶方雨,曹 城,冯 丽,严 旭

(安徽科技学院 电气与电子工程学院,安徽 蚌埠 233100)

0 引言

随着人类社会的不断发展,垃圾问题日益凸显,尤其是垃圾分类和分拣问题。传统的垃圾分拣方式通常依赖于人工,这种方式效率低下、误差率较高,难以满足现代社会的需求。因此,设计一种能够自动、快速且准确分拣垃圾的系统成为当务之急。近年来,随着嵌入式系统、传感器技术和人工智能等技术的飞速发展,基于智能控制的垃圾分拣系统成为研究热点。其中,STM32作为一种广泛使用的嵌入式系统芯片,具有强大的处理能力和丰富的外设接口,非常适合用于智能垃圾分拣系统的设计。

智能垃圾分拣系统作为一种新兴的垃圾处理技术,通过运用计算机视觉、传感器技术和自动控制等先进技术,实现了对垃圾的自动识别、分类和分拣[1]。这种系统具有处理速度快、准确率高、环保性能好等优点,旨在通过合理的硬件设计和软件算法,实现对垃圾的有效识别和分拣,能够有效地解决传统垃圾处理方法所面临的问题。

1 系统总体设计

1.1 系统需求分析

对于此系统的需求,可从3个方面考虑,分别是硬件需求、软件需求、网络需求。这3类需求分析如表1所示。

1.2 系统架构设计

基于STM32的智能垃圾分拣系统主要由STM32核心控制器、传感器模块、执行器模块和通信模块组成。系统的整体架构如图1所示[2]。

图1 智能垃圾分拣系统总体架构设计

STM32作为系统的核心控制器,负责对整个系统的运行进行控制和管理。STM32微控制器通过运行嵌入式操作系统(如FreeRTOS、uCOS等)实现多任务调度,同时与传感器模块、执行器模块和通信模块进行数据交互。

STM32核心控制器与传感器模块、执行器模块、通信模块之间通过串行总线(如I2C、SPI等)或并行总线(如GPIO)进行数据交互[3]。传感器模块将采集到的数据传送给STM32核心控制器进行处理,STM32核心控制器根据处理结果向执行器模块发送控制指令,实现对垃圾的识别和分拣。通信模块负责实现STM32核心控制器与上位机或其他设备之间的数据传输和通信,实现系统的远程监控功能。

1.3 STM32芯片选型和特点

根据智能垃圾分拣系统的需求,需要一个性能较高、功耗较低且成本适中的STM32芯片。综合考虑这些因素,本文在STM32F4系列中选择了STM32F407型号。

STM32F407是基于Cortex-M4内核的高性能单片机,主频高达168 MHz,可以满足实时图像处理和控制任务的需求;集成了丰富的外设接口,如GPIO、SPI、I2C、USART等,方便与其他硬件设备进行连接和通信。同时,STM32F407内置DMA控制器和高级定时器,可以提高数据处理效率,实现精确控制。

2 系统硬件设计

2.1 实传感器模块设计

2.1.1 温湿度传感器模块

温湿度传感器在智能垃圾分拣系统中扮演着重要角色。具体型号选择DHT11,DHT11是一款高精度的温湿度传感器,具有测量范围宽、稳定性高等优点。温湿度传感器可以监测垃圾处理场所的环境温度和湿度,确保垃圾处理环境符合要求,避免因温度或湿度过高/过低而影响系统正常运行。

2.1.2 图像传感器

本设计采用OV2640型号的图像传感器。OV2640是一款200万像素的CMOS图像传感器,具有高灵敏度、低噪声、高帧率等优点。图像传感器可以用来采集垃圾的图像数据,通过图像识别算法对垃圾进行分类和识别,从而实现垃圾分类自动化,帮助系统检测垃圾中的异物。

2.1.3 重量传感器

本设计采用HX711型号的重量传感器。该重量传感器具有测量准确、稳定性高等优点。重量传感器模块在智能垃圾分拣系统中起到了实时监测和判断垃圾重量的作用,为系统提供重要的分类依据。重量传感器模块可以实时监测垃圾的重量变化,通过与预设的重量范围进行比较,系统可以判断垃圾是否符合特定的分类标准。

2.1.4 红外传感器

Sharp GP2Y0A21YK0F红外传感器是一款性能稳定、精度高且易于集成的红外传感器。在智能垃圾分拣系统中,红外传感器用来检测垃圾的位置和距离,帮助机械手臂实现精确抓取和分拣。

2.2 执行器模块设计

电机驱动模块在智能垃圾分拣系统中起到了控制和驱动各种机械设备的作用。

2.2.1 控制机械臂的运动

智能垃圾分拣系统中的机械臂需要能够准确地抓取和移动垃圾。电机驱动模块控制机械臂的运动轨迹、速度和力度,使其能够精确地完成抓取和放置操作。

2.2.2 控制传送带的运行

传送带是将垃圾从一个位置传送到另一个位置的重要设备。电机驱动模块可以控制传送带的速度和方向,确保垃圾能够顺利地从一个环节传送到下一个环节。

2.2.3 控制其他辅助设备的运行

智能垃圾分拣系统中可能还包括其他辅助设备,如垃圾箱的开合、垃圾袋的更换等。电机驱动模块可以控制这些设备的运行,实现自动化操作。

2.3 通信模块设计

利用Wi-Fi模块实现在智能垃圾分拣系统中的无线通信功能。Wi-Fi模块可以通过无线网络将垃圾分类数据传输到云端或其他设备,实现实时监控和数据分析,方便管理和优化垃圾分拣系统的运行。通过Wi-Fi模块,可以实现对智能垃圾分拣系统的远程控制。用户可以通过手机、电脑等设备连接Wi-Fi网络,远程设置和监控垃圾分拣系统的运行状态,例如调整分拣策略、查看统计数据等。

2.4 电源管理模块设计

电源管理模块主要负责管理系统的电源供应和电能消耗,确保系统的正常运行和高效能耗,具体作用如下:

2.4.1 电源供应管理

电源管理模块负责为系统提供稳定可靠的电源供应。监测电源状态,包括电压、电流和功率等参数,并根据需要进行调整和控制。在电源电压不稳定或电池电量低下时,电源管理模块可以及时切换到备用电源或发出警报。

2.4.2 节能管理

通过对系统的电能消耗进行管理和优化,实现节能和环保。电源管理模块可以根据系统的工作状态和需求,动态调整电源的供电方式和功率输出,以降低能耗。在系统空闲或低负载时,可以降低电源的功率输出,减少能源浪费。

3 系统软件设计

3.1 软件程序架构设计

3.1.1 主程序

(1)图像采集模块:负责通过摄像头获取垃圾图像,并传递给图像处理模块进行处理。

(2)图像处理模块:使用图像识别算法对垃圾图像进行处理和分析,提取垃圾的特征和属性。

(3)分类模块:根据图像处理模块提供的特征和属性,使用分类算法将垃圾分为不同的类别。

(4)控制模块:根据分类结果,控制机械臂和传送带的运动,将垃圾分拣到相应位置。

(5)数据库模块:负责存储垃圾的分类信息和相关数据,以便后续分析和统计。

3.1.2 中断程序

(1)传感器中断:当传感器检测到垃圾的重量、体积或其他特征发生变化时,会触发中断程序,通知主程序进行相应地处理。

(2)紧急停止:当系统发生故障或其他紧急情况时,中断程序可以立即停止主程序的执行,保证系统的安全性。

(3)用户交互:当用户进行操作或设置时,中断程序可以响应用户的请求,进行相应的处理。

3.2 垃圾分拣流程设计

首先,由重量传感器模块及图像传感器模块判断是否有垃圾。若检测到有垃圾,则通过图像传感器识别后与数据库进行比对,判断是否为有害垃圾,若无有害垃圾,则继续判断是否为可回收垃圾。其次,通过温湿度传感器判断是否为湿垃圾[4]。垃圾分类判断完成后,由电机模块控制机械臂和传送带将垃圾归到对应的垃圾桶中,并将垃圾桶的信息通过Wi-Fi模块上传到服务器,由显示屏显示垃圾的重量、数量、种类。智能垃圾分拣流程[5]如图2所示。

图2 智能垃圾分拣流程

4 系统测试与分析

为了测试系统的性能情况,本文进行了一系列模拟实验。这些实验分别模拟了垃圾数量为20件、40件、100件和200件的情况。在每个实验中,保持了有害垃圾、可回收垃圾、干垃圾和湿垃圾的数量相同。为了评估系统的性能,本测试关注了以下指标:垃圾识别准确率、分拣准确率和分拣效率[6]。这些指标可以帮助了解系统在垃圾分类过程中的准确性和效率。如表2所示。

表2 不同垃圾数量下的性能指标

从2表中可以看出,随着垃圾数量的增加,系统的垃圾识别准确率、分拣准确率和分拣效率都有所提高。这表明系统在处理大量垃圾时能够更准确地识别和分拣。然而,随着垃圾数量的增加,系统的分拣效率略有下降,这可能是由于系统处理大量垃圾时的负载增加所致。

5 结语

本文介绍了基于STM32的智能垃圾分拣系统设计和实现过程。利用多种传感器对垃圾进行分类。这些传感器包括重量传感器、红外传感器和温湿度传感器等。当垃圾进入分拣系统时,这些传感器会读取垃圾的相关信息,并将其传输到微控制器中进行处理。微控制器根据预设的算法判断垃圾的类别,并控制机械手臂和传送带等执行器将垃圾分拣到相应的垃圾桶中。

实验结果表明,该智能垃圾分拣系统能够实现高准确率的垃圾分类。在实验中,该系统成功分拣了不同类型的垃圾,包括可回收垃圾、有害垃圾和湿垃圾等。同时,该系统的分拣效率和准确性均高于传统的手动分拣方式。

该基于STM32的智能垃圾分拣系统具有广阔的应用前景,可以应用于城市垃圾处理中心、垃圾转运站和垃圾填埋场等场所,能提高垃圾处理的效率和准确性[7]。同时,该系统还可以根据不同场所的需求进行定制化开发,以满足不同用户的需求。

猜你喜欢
重量电源垃圾
垃圾去哪了
重量
那一双“分拣垃圾”的手
Cool Invention炫酷发明
倒垃圾
倒垃圾
哪一款移动电源充电更多?更快?
阳光电源
创新的重量
灰的重量