秦鉑濤， 鄧 磊， 黃姝珂

（1.四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610065； 2.四川幼兒師范高等專科學(xué)校應(yīng)用技術(shù)系， 四川 江油 621709；3.中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所， 四川 綿陽 621900）

0 引言

隨著我國面臨“垃圾圍城”的現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，大量的生活垃圾對(duì)我國資源產(chǎn)生了巨大危害[1]。2019 年6 月，全國人大常委會(huì)審議通過了“生活垃圾環(huán)境防治”專項(xiàng)規(guī)定[2]，自法案實(shí)施以來，人工分類的垃圾箱已經(jīng)被大規(guī)模使用。 可是現(xiàn)有垃圾分類箱不僅需要專人宣傳垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)并引導(dǎo)市民投放， 也需要市民掌握相關(guān)垃圾分類知識(shí)，并且人工分類有時(shí)間段的劃分，只能在專人工作時(shí)進(jìn)行垃圾投放，一時(shí)很多人為垃圾分類頭疼不已，由此可見設(shè)計(jì)智能分類垃圾桶的重要性。

1 智能垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及3D 建模

為了滿足城市街道及小區(qū)分類垃圾桶的需求， 垃圾桶的設(shè)計(jì)采用小型化、智能化的原則， 整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示； 智能垃圾桶由含有功能結(jié)構(gòu)的上半部分桶身和裝有PLC 控制模塊的桶底構(gòu)成。 其他模塊由：攝像頭及顯示屏、 兩部步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、4 對(duì)紅外對(duì)射管，PLC 控制模塊則由PLC 實(shí)現(xiàn)控制功能配套的開關(guān)電源、繼電器構(gòu)成。 其結(jié)構(gòu)見圖1，3D 效果見圖2。

圖1 智能垃圾桶結(jié)構(gòu)圖

圖2 智能垃圾桶3D 效果圖

為滿足小型化智能化需求，垃圾桶采用了識(shí)別，分類，存儲(chǔ)，控制，顯示一體化設(shè)計(jì)，整個(gè)垃圾桶結(jié)構(gòu)簡單且占地面積小。 將PLC 模塊集成在底部，既可以節(jié)約空間減小體積，又可以將線路集中，方便檢查排障。

2 智能垃圾桶硬件模塊的選擇

2.1 智能垃圾桶的主要功能

機(jī)器處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，主屏幕播放待機(jī)畫面。當(dāng)使用者將垃圾放在垃圾投放區(qū)時(shí)，視覺識(shí)別模塊拍照識(shí)別，利用內(nèi)置數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比分析， 如果為非易壓縮類垃圾，PLC 控制步進(jìn)電機(jī)使分類導(dǎo)管指向指定的分類垃圾桶，PLC 控制停料板下方電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，停料板翻轉(zhuǎn)， 垃圾經(jīng)分類導(dǎo)管入桶。 隨后停料板經(jīng)短暫停留恢復(fù)到原位； 如果投入的垃圾是易拉罐和塑料瓶等易壓縮的垃圾，則PLC 控制分類導(dǎo)管指向壓縮機(jī)， 易壓縮物掉下被壓縮后落入指定垃圾桶； 當(dāng)紅外裝置檢測到垃圾裝滿則觸發(fā)滿載預(yù)警，在屏幕上提示并發(fā)出報(bào)警聲。 系統(tǒng)功能見圖3。

圖3 智能垃圾桶功能圖

2.2 硬件模塊的選擇

2.2.1 視覺識(shí)別模塊

采用了HuskyLens 攝像頭和與其配套的micro：bit 主板。 攝像頭負(fù)責(zé)拍照采集待分類垃圾的圖像信息并與內(nèi)置數(shù)據(jù)庫對(duì)比得出分類信息。主板起通訊作用，將攝像頭的信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC 能識(shí)別的高低電平信號(hào)。

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用了一部型號(hào)為86CM45 的步進(jìn)電機(jī)作為分類導(dǎo)管的動(dòng)力源，考慮到停料因個(gè)人習(xí)慣放置位置不同，可能需要更大的扭矩， 采用一部型號(hào)為86CM85 的步進(jìn)電機(jī)作為停料板的動(dòng)力源。 配以兩部型號(hào)為3ND583 的驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.2.4 滿載預(yù)警模塊

選擇四對(duì)HD-DS25CM-3MM 紅外對(duì)射管，分別裝在四個(gè)類別的小垃圾桶內(nèi)側(cè)，并且用了四組24V/5V 電壓轉(zhuǎn)化器易確保紅外對(duì)射管能正常工作。

2.2.5 氣動(dòng)壓縮模塊

氣動(dòng)壓縮結(jié)構(gòu)由氣缸， 伸縮杠和管道回路組成， 利用一個(gè)三位四通閥控制伸縮桿運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)壓縮和通過的功能[3]。氣動(dòng)回路具體結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 壓縮氣缸回路設(shè)計(jì)圖

2.2.5 其他模塊

主要包括屏幕顯示模塊和電力供應(yīng)模塊。 屏幕采用一塊MCGS 的TPC1062K 嵌入式一體化觸摸屏，既可以引導(dǎo)使用者投放垃圾，也可以顯示垃圾桶內(nèi)實(shí)時(shí)情況。在小區(qū)等有條件插電的場所時(shí)， 該垃圾桶可以通過一塊24V 開關(guān)電源接入電路使用，當(dāng)不便于插電使用時(shí)，還可以直接用自身攜帶的一塊24V 鋰電池供電。

3 智能垃圾桶軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 PLC 程序的編寫

PLC 程序的編寫采用“順序控制法”，遵循“順序功能圖的繪制→PLC 端口資源分配→編程→連接調(diào)試”的步驟進(jìn)行[4]。

3.1.1 PLC 順序功能圖的繪制

根據(jù)實(shí)現(xiàn)各邏輯功能時(shí)各部分與PLC 的邏輯聯(lián)系，可畫出順序控制時(shí)的順序功能圖見圖5。

圖5 PLC 順序功能圖

3.1.2 PLC 端口資源分配

根據(jù)硬件選擇，PLC 輸入端與5V 繼電器和紅外對(duì)射管連接接收輸入信號(hào)， 輸出端與驅(qū)動(dòng)器連接控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，將端口資源進(jìn)行分配，其I/O 口資源分配見表1。

表1 I/O 資源分配表

3.2 屏幕程序的編寫

選用的MCGS 的TPC1062K 觸摸屏， 其與PLC 實(shí)現(xiàn)串口通訊，實(shí)時(shí)讀取PLC 寄存器數(shù)據(jù)并顯示桶內(nèi)狀態(tài)，其顯示數(shù)據(jù)來源和PLC 對(duì)應(yīng)關(guān)系， 及其顯示事件內(nèi)含的程序指令，見表2[5]。

表2 工控屏信息讀取地址及事件指令

據(jù)此表可以在MCGS 平臺(tái)下設(shè)計(jì)出智能垃圾桶控制面板見圖6。

圖6 智能垃圾桶控制面板

3.3 通訊主板程序的編寫

通訊主板程序通過C 語言編寫，通過循環(huán)判斷消抖，提高垃圾識(shí)別判斷的準(zhǔn)確率，其循環(huán)判斷框圖見圖7。

圖7 主板程序框圖

經(jīng)過消抖測試，通過對(duì)采集照片樣本的反復(fù)判斷，最后在十次均通過的情況下輸出對(duì)應(yīng)ID 的高電平信號(hào)，可以在不影響分類速度的前提下有效提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

4 關(guān)鍵部件的3D 打印及整體安裝

為滿足城市和小區(qū)使用需求， 垃圾桶設(shè)計(jì)遵循小型化原則，搭建樣機(jī)為了節(jié)省材料和縮短實(shí)驗(yàn)周期，采用3D打印完成關(guān)鍵部件的制作， 遵循 “建模→導(dǎo)出STL 文件→切片生成gcode 文件→3D 打印→修剪去支撐→安裝調(diào)試” 的步驟， 安裝效果圖見圖8。將各元件接線美化線路后見圖9。

圖8 關(guān)鍵部件安裝效果圖

圖9 系統(tǒng)線路連接圖

5 樣機(jī)調(diào)試和功能測試

樣機(jī)上電后， 分別利用云端數(shù)據(jù)庫， 自制樣本數(shù)據(jù)庫， 云端數(shù)據(jù)庫和自制樣本庫結(jié)合三種方式測試樣機(jī)對(duì)垃圾的識(shí)別分類速度和準(zhǔn)確性， 四類垃圾各隨機(jī)選擇一百件作為垃圾樣本。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 功能測試結(jié)果

結(jié)果表明， 自制樣本庫是識(shí)別準(zhǔn)確率最高且分類速度最快的一種，但由于自制樣本庫需要提前采集垃圾樣本，故而有一定局限性，而云采用端數(shù)據(jù)庫的響應(yīng)速度和網(wǎng)速有關(guān)，可能出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象， 故采用自制樣本庫和云端數(shù)據(jù)庫結(jié)合是最高效的方式，無論是準(zhǔn)確率和分類速度都可滿足需求。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)以PLC 作為控制基礎(chǔ)， 利用3D 打印制造關(guān)鍵部件搭建樣機(jī)，經(jīng)測試可以滿足基本垃圾分類需求，為響應(yīng)國家生活垃圾分類提供新的解決方案。