張佳琪,于海霞,劉永輝,賈俊杰,苑文亞,付宜帆
(大連理工大學(xué)城市學(xué)院,遼寧 大連 116000)
隨著國家對環(huán)保的要求越來越嚴(yán)格,垃圾分類投放必將成為強(qiáng)制性的規(guī)定。現(xiàn)在絕大多數(shù)垃圾分類僅僅依靠垃圾投放者根據(jù)標(biāo)識進(jìn)行自主判斷,若個人沒有相應(yīng)的分類知識,則無法做到準(zhǔn)確地分類垃圾,尤其是許多垃圾異味太重或者存在一些蚊蟲,使得垃圾分類更加不便[1-3]。目前市場上常見的垃圾箱無法對垃圾進(jìn)行主動的、有針對性的、初步的分類,現(xiàn)有的智能垃圾箱也僅僅做到了投擲的智能化。例如,李琳等人[4]設(shè)計了基于STM32的校園內(nèi)智能垃圾桶測滿系統(tǒng),具有低功耗、集成度高、續(xù)航持久、維護(hù)方便等特點。辛政華等人[5]設(shè)計了一種智能垃圾桶,它以CC2530為核心,實現(xiàn)垃圾桶的感應(yīng)自動開蓋和關(guān)閉。當(dāng)超聲波檢測到距離垃圾小于10 cm時,觸發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動,垃圾桶蓋自動關(guān)閉;垃圾桶處理系統(tǒng)監(jiān)控中心檢測出垃圾桶滿時,發(fā)出處理命令;當(dāng)垃圾得到清理,且超聲波檢測到的距離大于10 cm時,觸發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動,打開垃圾桶。然而,嚴(yán)格意義上講這些仍不屬于智能垃圾桶,無法普及且性價比低。為了更加便利人們的生活,同時秉承保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的理念,本文設(shè)計了一種基于STM32單片機(jī)控制的智能垃圾桶系統(tǒng)終端,旨在建立一個完整、高效的信息系統(tǒng)以及應(yīng)用程序,利用該信息系統(tǒng)實現(xiàn)垃圾的智能回收、分類、再利用,省去居民自行對垃圾種類進(jìn)行判斷的過程,提高垃圾的分類和回收效率。在可行性和推廣性上門檻較低,終端設(shè)備高度整合,經(jīng)濟(jì)效益好;隨著項目推廣的生產(chǎn)成本邊際遞減,設(shè)備單價也將大幅下降。
本項目基于STM32單片機(jī)、CMUCAM3圖像識別模塊、SI1102紅外檢測模塊實現(xiàn)對垃圾的識別與分類,驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)分類。當(dāng)識別到有人靠近終端檢測范圍內(nèi)時,自動打開對應(yīng)位置垃圾桶,然后在垃圾桶內(nèi)部對常見的垃圾進(jìn)行分類,分類完成后關(guān)閉垃圾桶。系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域內(nèi)回收終端各垃圾種類所占比例,變更不同料倉的空間比例,并就近設(shè)置相應(yīng)的可回收品回收站點。當(dāng)人手或物體接近投料口(感應(yīng)窗)約25~35 cm時,垃圾桶蓋會自動開啟,待垃圾投入3~4 s后桶蓋又會自動關(guān)閉,人和物不需接觸垃圾桶,還能夠防止桶內(nèi)垃圾氣味溢出,解除了傳統(tǒng)垃圾桶存在的細(xì)菌感染的隱患,能有效阻絕各種傳染性疾病通過垃圾進(jìn)行傳播。同時,當(dāng)識別到垃圾桶滿等情況時系統(tǒng)還會進(jìn)行自動報警。與市場智能垃圾箱相比,本產(chǎn)品能夠自動識別垃圾并分類,垃圾識別類型多,包含可回收垃圾、有毒垃圾、其他垃圾,且產(chǎn)品成本低廉、體積小。
本設(shè)計采用STM32微控制器作為終端的主控模塊。STM32芯片是一種基于Cortex的芯片,該系列中的很多芯片是專門迎合當(dāng)下社會發(fā)展需求的,例如適合低功耗、高性能、混合信號、標(biāo)準(zhǔn)系列的汽車應(yīng)用;多數(shù)設(shè)計都需要它的底層環(huán)境,它的型號種類繁多,能夠滿足大部分要求。芯片類型主要可以細(xì)分為硬件DSP、微控制器硬件MCU、微處理器和軟件SOC。STM32是一種MCU,屬于嵌入式技術(shù)。STM32的首要優(yōu)點是優(yōu)秀的實時功能,同時它還有著杰出的功耗控制能力和極低的開發(fā)成本以及超低的價格[6]。
傳感器技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,因具有生產(chǎn)效能和信息傳播的安全可靠性在日常生活生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[7-9]。本設(shè)計采用CMUCAM3傳感器作為圖像識別模塊。KTROBOT01 CMUCAM3是一個基于ARM7的完全可編程的嵌入式計算機(jī)視覺傳感器,它是以智能傳感器的形式給小型機(jī)器人系統(tǒng)提供視覺能力。CMUCAM3主要的處理器是連接到OV CMOS攝像傳感器模塊的32位ARM處理器NXP LPC2106,其開放的源碼環(huán)境供用戶進(jìn)行嵌入式圖像處理的二次開發(fā)。CMUCAM3為智能機(jī)器人擴(kuò)展了嵌入式圖像處理能力,主要功能有跟蹤高對比度的區(qū)域、運(yùn)動監(jiān)測、顏色識別和檢測;同時CMUCAM3還能輸出不同的視頻格式到計算機(jī)進(jìn)行額外的圖像處理[7]。
本設(shè)計采用SI1102紅外接近傳感器作為紅外檢測模塊。SI1102是一款高性能的接近檢測傳感器,可以檢測到50 cm以內(nèi)的人體;它工作在單脈沖檢測模式,功耗較低,檢測門限和檢測頻率可調(diào);具有PRX狀態(tài)的鎖存功能,可減少誤檢和漏檢;通過400 mA的LED驅(qū)動電流維持工作。
采用5 V的28BYJ48步進(jìn)電機(jī),電流約為200 mA,用ULN2003驅(qū)動,端口號為P0.0、P0.1、P0.2、P0.3,分別對應(yīng)編碼A、B、C、D[10],見表1所列。
表1 28BYJ48電機(jī)正轉(zhuǎn)表
本系統(tǒng)在Keil μVision4環(huán)境下進(jìn)行仿真調(diào)試,如圖1所示,主要采用C語言進(jìn)行開發(fā)。與機(jī)器裝配語言進(jìn)行比較表明,使用C語言可以實現(xiàn)較強(qiáng)的整體配置和可讀性。Keil μVision4內(nèi)部集成了較為豐富的庫函數(shù)可以供使用者隨時讀取調(diào)用,并與Microsoft系統(tǒng)具有良好的兼容性。在這種環(huán)境下編譯程序成功的概率比較大,尤其是在完成較大的軟件與系統(tǒng)設(shè)計時更容易展現(xiàn)Keil μVision4的優(yōu)勢。
圖1 Keil μVision4界面
在目標(biāo)文件中建立Hex文件,出現(xiàn)如圖2所示對話框時點擊Create Hex File,確認(rèn)之后可以新建Hex文件,在燒錄時就可以對“.c”文件進(jìn)行操作。
圖2 Hex文件的建立
Proteus 8軟件和Keil μVision4編程開發(fā)工具需要相互配合使用,具體操作步驟如下:
(1)打開Proteus 8軟件,在屏幕上有繪圖窗口,還有視圖小窗口,以及元器件的列表和控制、編譯按鈕。
(2)新建一個工程,在所選的工程文件中,選擇合適的元器件進(jìn)行布線,即可繪制所需要的電路原理圖。
(3)打開Keil μVision4軟件開始編寫程序,然后點擊編譯按鈕完成編譯后生成Hex文件。
(4)在左側(cè)繪圖窗口中雙擊自己設(shè)計的STM32單片機(jī),然后根據(jù)需要來修改硬件參數(shù)。
(5)點擊Program File,將之前生成的Hex文件加載進(jìn)去。
(6)在設(shè)置完成后點擊關(guān)閉窗口,運(yùn)行仿真。
程序調(diào)試和刻錄完成后,執(zhí)行功能測試。首先,系統(tǒng)通過紅外接近傳感器檢測到信號,即檢測到有人接近垃圾桶,并且判斷出人手或物體接近投料口(感應(yīng)窗)約25~35 cm時,會自動驅(qū)動對應(yīng)位置垃圾桶開啟;然后系統(tǒng)內(nèi)部的圖像識別傳感器會將投放的垃圾與系統(tǒng)內(nèi)的垃圾種類圖片進(jìn)行對比,完成分類。如果5 s內(nèi)沒有垃圾被投入垃圾桶,系統(tǒng)會驅(qū)動垃圾桶自動關(guān)閉。系統(tǒng)還會根據(jù)區(qū)域內(nèi)回收終端內(nèi)各種類垃圾所占比例,變更不同料倉的空間比例,并就近設(shè)置相應(yīng)的可回收品回收站點。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對垃圾進(jìn)行智能分類、回收的功能,不需要垃圾投放者自行對垃圾種類進(jìn)行判斷,提高了垃圾的分類和回收效率。
本文設(shè)計了基于STM32單片機(jī)控制的智能垃圾分類終端,符合國家政策導(dǎo)向和現(xiàn)實需要。該系統(tǒng)能夠在人們投放垃圾時進(jìn)行智能輔助分類,提高垃圾分類和回收效率,減少污染;并且可以通過顯示屏了解投放垃圾所屬的具體類別,提高人們垃圾分類和環(huán)保的意識。相比于市場上其他的智能垃圾箱,本產(chǎn)品能夠做到自動識別垃圾和分類,并且垃圾識別類型多,包含可回收垃圾、有毒垃圾、其他垃圾,且產(chǎn)品成本低廉、體積小,適合大范圍推廣。