河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 馬嘉寧 張立昂 張榮峰 蔚嘉龍

1 垃圾分揀現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)垃圾分類現(xiàn)狀

我國(guó)在垃圾的現(xiàn)代化清理運(yùn)輸、處理等方面開展較晚 ，也較為落后。在部分地區(qū)，人們的生活垃圾被直接堆放在居住地附近的露天垃圾場(chǎng)。這些露天的垃圾堆放場(chǎng)會(huì)對(duì)周圍的土壤、空氣和水源造成污染，進(jìn)而影響到附近居民的身體健康。而即便是被送往垃圾處理廠的垃圾 ，也大多被一并焚燒 ，并不會(huì)被分類處理 ，從而造成資源的浪費(fèi)。隨著深圳進(jìn)入“垃圾強(qiáng)行分類時(shí)代”，全國(guó)各地的城市都在陸續(xù)推進(jìn)垃圾分類工作。 經(jīng)過了這幾年的宣傳后，多數(shù)居民已經(jīng)了解到了垃圾分類的重要性。不清楚垃圾該如何分類的現(xiàn)象也在逐步改善。

1.2 國(guó)外生活垃圾分類現(xiàn)狀

在美國(guó)，有將近90%的美國(guó)人會(huì)直接參與到所在街道的廢物回收工作中。

加拿大早在100多年前就已經(jīng)開始對(duì)城市的生活垃圾進(jìn)行分類回收。

在日本，國(guó)民是生活垃圾分類的主體。目前，日本已經(jīng)形成一套完整的生活垃圾分類體系的法律。

1.3 垃圾分類未來的發(fā)展方向

目前垃圾分類處理設(shè)備的生產(chǎn)工作在國(guó)內(nèi)外都有一個(gè)比較迅速的發(fā)展趨勢(shì)。而就中國(guó)目前的發(fā)展水平而言，垃圾處理設(shè)備的發(fā)展還處于一個(gè)較低的水平。

2 項(xiàng)目概述

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

圖1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)框架圖

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)框架如圖1所示，其主要包括嵌入式計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、STM32控制板、4軸機(jī)械臂、傳輸帶、攝像頭模塊以及垃圾桶等設(shè)備。使用垃圾分類模型對(duì)垃圾進(jìn)行顏色、形狀分類。STM32控制板負(fù)責(zé)機(jī)械臂和傳輸帶的運(yùn)動(dòng)控制對(duì)垃圾進(jìn)行分類采集，并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上傳到云端。

系統(tǒng)運(yùn)行流程為：各類垃圾通過垃圾投放口進(jìn)入系統(tǒng)，傳輸帶將垃圾逐個(gè)分離；機(jī)械臂將垃圾搬運(yùn)到攝像頭下方，進(jìn)行圖像識(shí)別分類；操作系統(tǒng)將垃圾分類結(jié)果通過串口發(fā)送給STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)控制機(jī)械臂將垃圾搬運(yùn)、傾倒到指定的垃圾桶。最后利用壓力傳感器計(jì)算每個(gè)垃圾存放區(qū)中垃圾的總重量，以及新放入的垃圾的重量等數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示且上傳數(shù)據(jù)到云端。

2.2 運(yùn)作流程

（1）在將垃圾集中運(yùn)往分揀場(chǎng)后，啟動(dòng)滑軌，將投遞的垃圾袋有間隙地送入傳送帶上方。傳送帶整個(gè)部分由外部獨(dú)立供電。

（2）傳送帶啟動(dòng)的同時(shí)激活機(jī)械臂整體及其他的外設(shè)配置，使能完成后機(jī)械臂將運(yùn)行主程序，即內(nèi)部微處理器控制步進(jìn)電機(jī)的輸出信號(hào)來調(diào)整機(jī)械臂的動(dòng)作姿態(tài)，使機(jī)械臂到達(dá)程序設(shè)定的初位置。

（3）機(jī)械臂在達(dá)到初位置時(shí)，垃圾輸送的位置被機(jī)械臂上的傳感器識(shí)別，機(jī)械臂做出抓取動(dòng)作，即完成對(duì)傳送帶上的物品的夾取功能，同時(shí)裝載色塊識(shí)別模塊將對(duì)抓取的垃圾進(jìn)行色塊識(shí)別，攝像頭所獲取的顏色與形狀信號(hào)將與程序內(nèi)部的資料庫(kù)進(jìn)行匹配，然后進(jìn)行下一步動(dòng)作，把垃圾投放到相應(yīng)的垃圾存放區(qū)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類垃圾分區(qū)域進(jìn)行放置。在無(wú)人直接參與的條件下，實(shí)現(xiàn)基本的垃圾分揀功能。執(zhí)行單元主要包括4軸機(jī)械臂和傳輸帶。機(jī)械臂帶有步進(jìn)電機(jī)接口，可直接控制傳輸帶啟停。用戶只需通過機(jī)械臂的串行接口，就可控制機(jī)械臂和傳輸帶的運(yùn)動(dòng)。

（4）利用壓力傳感器計(jì)算每個(gè)垃圾存放區(qū)中垃圾的總重量，以及新放入的垃圾的重量等數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示且上傳數(shù)據(jù)。感知單元包括STM32控制板、攝像頭以及NB-IOT（基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通信單元。STM32控制板通過串口接收垃圾識(shí)別結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，通過另外一路串口驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂和傳輸帶運(yùn)動(dòng)。STM32控制板還可以通過多路光電開關(guān)檢測(cè)傳輸帶上的垃圾是否進(jìn)入機(jī)械臂托盤、垃圾桶等情況，通過NB-IOT實(shí)時(shí)傳輸垃圾桶、機(jī)械臂和傳輸帶狀態(tài)到云端的服務(wù)器。

3 主要電氣設(shè)備

3.1 stm32f103單片機(jī)

STM32F103系列單片機(jī)擁有性能高的ARMCortex-M332位RISC內(nèi)核，其基礎(chǔ)工作頻率為72MHz。它的運(yùn)算速度快，擁有較大容量的SRAM，適合用于較為復(fù)雜的自動(dòng)化設(shè)備。其除晶振占用的IO口外，其他所有IO口均被引出，這極大地方便了使用者對(duì)其進(jìn)行工程擴(kuò)展。STM32F103系列單片機(jī)的主芯片采用自帶512K字節(jié)FLASH，并外擴(kuò)16M字節(jié)SPIFLASH，可以滿足大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

3.2 傳送裝置

傳送帶（滑軌），用于垃圾的傳送 。其可以分為兩類 ：輕型輸送帶和重型輸送帶。 適用輸送塊狀、粒狀 、粉末狀物料和成件物品等。

3.3 攝像頭模塊

采用OV7725高清攝像頭，像素30W，模塊小巧且功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良，可使用編程語(yǔ)言進(jìn)行控制。擁有集成有源晶振與FIFO，方便MCU讀取其圖像并進(jìn)行控制。在使用時(shí)，可以自動(dòng)進(jìn)行曝光與白平衡。額定電壓且靈敏度高，非常適合嵌入式的應(yīng)用環(huán)境。

為了提高圖像處理的速度，我們將OV7725攝像頭與另一個(gè)單片機(jī)單獨(dú)相連，共同作為攝像頭模塊。

3.4 四軸機(jī)械臂

四軸機(jī)械臂有四個(gè)自由度 ，由五個(gè)舵機(jī) 、一個(gè)機(jī)械爪、一個(gè)云臺(tái)與若干連接用U型架構(gòu)成。四個(gè)舵機(jī)中，最下方的舵機(jī)用于控制機(jī)械臂的左右運(yùn)動(dòng)，中間兩個(gè)舵機(jī)用于控制機(jī)械爪的上下運(yùn)動(dòng)，最前端舵機(jī)用于控制機(jī)械爪上下轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械爪的開合也由舵機(jī)控制。該結(jié)構(gòu)可以保證機(jī)械臂在180度范圍內(nèi)自由活動(dòng)，抓取物品。

舵機(jī)為伺服電機(jī)，由單片機(jī)輸出的PWM波控制，其舵機(jī)控制的基準(zhǔn)信號(hào)為20ms、1.5ms寬的方波。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖波會(huì)沿控制線傳輸至舵機(jī)，這段脈沖的占空比決定了舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。PWM脈沖波的持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于或等于舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定位置所需的時(shí)間，否則，舵機(jī)將不能轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)定位置。

4 垃圾識(shí)別原理

垃圾的識(shí)別主要由攝像頭模塊進(jìn)行。 當(dāng)觀點(diǎn)傳感器檢測(cè)到有物體被傳送帶運(yùn)送到指定位置后，傳送帶暫時(shí)停止運(yùn)動(dòng) ，攝像頭模塊快速獲取圖像并通過分析得到物體的主要特征并辨明其種類。為了提升分析速度，與之相連的單片機(jī)會(huì)首先判斷物體的顏色 ，確定物體所在的類別范圍，然后再將物體的形狀與所確定的分組類別中的每一個(gè)進(jìn)行對(duì)應(yīng)以確定最符合的一類。圖像處理完成后， 這個(gè)單片機(jī)再將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給控制整個(gè)系統(tǒng)的單片機(jī)。

5 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工垃圾分揀的工作效果顯得越來越不理想。我們的團(tuán)隊(duì)結(jié)合當(dāng)下的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了垃圾分揀的機(jī)械化，以機(jī)械來代替人力；實(shí)現(xiàn)了工作效率的提高，生產(chǎn)成本的降低，避免人與垃圾的直接接觸。

智能垃圾分揀設(shè)備可以很好地解決垃圾分揀問題。它不受氣候、時(shí)間和體力的限制，實(shí)現(xiàn)了垃圾的連續(xù)大規(guī)模分揀及數(shù)據(jù)采集上傳?；緦?shí)現(xiàn)無(wú)人分揀作業(yè)，降低企業(yè)人工成本投入，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作人員的效率。通過將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫撕螅蓪?shí)現(xiàn)對(duì)垃圾分揀情況的監(jiān)控及不同種垃圾的重量等信息的匯總，更便于后期對(duì)垃圾的處理工作。