孫榮耀,孟錦濤,葉方雨,曹 城,馮 麗,嚴(yán) 旭

(安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院,安徽 蚌埠 233100)

0 引言

隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展,垃圾問(wèn)題日益凸顯,尤其是垃圾分類(lèi)和分揀問(wèn)題。傳統(tǒng)的垃圾分揀方式通常依賴(lài)于人工,這種方式效率低下、誤差率較高,難以滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)的需求。因此,設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)、快速且準(zhǔn)確分揀垃圾的系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。近年來(lái),隨著嵌入式系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展,基于智能控制的垃圾分揀系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。其中,STM32作為一種廣泛使用的嵌入式系統(tǒng)芯片,具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)接口,非常適合用于智能垃圾分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

智能垃圾分揀系統(tǒng)作為一種新興的垃圾處理技術(shù),通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)、傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)垃圾的自動(dòng)識(shí)別、分類(lèi)和分揀[1]。這種系統(tǒng)具有處理速度快、準(zhǔn)確率高、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn),旨在通過(guò)合理的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的有效識(shí)別和分揀,能夠有效地解決傳統(tǒng)垃圾處理方法所面臨的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

對(duì)于此系統(tǒng)的需求,可從3個(gè)方面考慮,分別是硬件需求、軟件需求、網(wǎng)絡(luò)需求。這3類(lèi)需求分析如表1所示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于STM32的智能垃圾分揀系統(tǒng)主要由STM32核心控制器、傳感器模塊、執(zhí)行器模塊和通信模塊組成。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 智能垃圾分揀系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

STM32作為系統(tǒng)的核心控制器,負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制和管理。STM32微控制器通過(guò)運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)(如FreeRTOS、uCOS等)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度,同時(shí)與傳感器模塊、執(zhí)行器模塊和通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

STM32核心控制器與傳感器模塊、執(zhí)行器模塊、通信模塊之間通過(guò)串行總線(如I2C、SPI等)或并行總線(如GPIO)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[3]。傳感器模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳送給STM32核心控制器進(jìn)行處理,STM32核心控制器根據(jù)處理結(jié)果向執(zhí)行器模塊發(fā)送控制指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的識(shí)別和分揀。通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)STM32核心控制器與上位機(jī)或其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

1.3 STM32芯片選型和特點(diǎn)

根據(jù)智能垃圾分揀系統(tǒng)的需求,需要一個(gè)性能較高、功耗較低且成本適中的STM32芯片。綜合考慮這些因素,本文在STM32F4系列中選擇了STM32F407型號(hào)。

STM32F407是基于Cortex-M4內(nèi)核的高性能單片機(jī),主頻高達(dá)168 MHz,可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)圖像處理和控制任務(wù)的需求;集成了豐富的外設(shè)接口,如GPIO、SPI、I2C、USART等,方便與其他硬件設(shè)備進(jìn)行連接和通信。同時(shí),STM32F407內(nèi)置DMA控制器和高級(jí)定時(shí)器,可以提高數(shù)據(jù)處理效率,實(shí)現(xiàn)精確控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)傳感器模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器在智能垃圾分揀系統(tǒng)中扮演著重要角色。具體型號(hào)選擇DHT11,DHT11是一款高精度的溫濕度傳感器,具有測(cè)量范圍寬、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。溫濕度傳感器可以監(jiān)測(cè)垃圾處理場(chǎng)所的環(huán)境溫度和濕度,確保垃圾處理環(huán)境符合要求,避免因溫度或濕度過(guò)高/過(guò)低而影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.1.2 圖像傳感器

本設(shè)計(jì)采用OV2640型號(hào)的圖像傳感器。OV2640是一款200萬(wàn)像素的CMOS圖像傳感器,具有高靈敏度、低噪聲、高幀率等優(yōu)點(diǎn)。圖像傳感器可以用來(lái)采集垃圾的圖像數(shù)據(jù),通過(guò)圖像識(shí)別算法對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)和識(shí)別,從而實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)自動(dòng)化,幫助系統(tǒng)檢測(cè)垃圾中的異物。

2.1.3 重量傳感器

本設(shè)計(jì)采用HX711型號(hào)的重量傳感器。該重量傳感器具有測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。重量傳感器模塊在智能垃圾分揀系統(tǒng)中起到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷垃圾重量的作用,為系統(tǒng)提供重要的分類(lèi)依據(jù)。重量傳感器模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垃圾的重量變化,通過(guò)與預(yù)設(shè)的重量范圍進(jìn)行比較,系統(tǒng)可以判斷垃圾是否符合特定的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4 紅外傳感器

Sharp GP2Y0A21YK0F紅外傳感器是一款性能穩(wěn)定、精度高且易于集成的紅外傳感器。在智能垃圾分揀系統(tǒng)中,紅外傳感器用來(lái)檢測(cè)垃圾的位置和距離,幫助機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)精確抓取和分揀。

2.2 執(zhí)行器模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在智能垃圾分揀系統(tǒng)中起到了控制和驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械設(shè)備的作用。

2.2.1 控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)

智能垃圾分揀系統(tǒng)中的機(jī)械臂需要能夠準(zhǔn)確地抓取和移動(dòng)垃圾。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和力度,使其能夠精確地完成抓取和放置操作。

2.2.2 控制傳送帶的運(yùn)行

傳送帶是將垃圾從一個(gè)位置傳送到另一個(gè)位置的重要設(shè)備。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以控制傳送帶的速度和方向,確保垃圾能夠順利地從一個(gè)環(huán)節(jié)傳送到下一個(gè)環(huán)節(jié)。

2.2.3 控制其他輔助設(shè)備的運(yùn)行

智能垃圾分揀系統(tǒng)中可能還包括其他輔助設(shè)備,如垃圾箱的開(kāi)合、垃圾袋的更換等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以控制這些設(shè)備的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

利用Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)在智能垃圾分揀系統(tǒng)中的無(wú)線通信功能。Wi-Fi模塊可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將垃圾分類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嘶蚱渌O(shè)備,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析,方便管理和優(yōu)化垃圾分揀系統(tǒng)的運(yùn)行。通過(guò)Wi-Fi模塊,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能垃圾分揀系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)、電腦等設(shè)備連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)程設(shè)置和監(jiān)控垃圾分揀系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),例如調(diào)整分揀策略、查看統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

2.4 電源管理模塊設(shè)計(jì)

電源管理模塊主要負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的電源供應(yīng)和電能消耗,確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和高效能耗,具體作用如下:

2.4.1 電源供應(yīng)管理

電源管理模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。監(jiān)測(cè)電源狀態(tài),包括電壓、電流和功率等參數(shù),并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和控制。在電源電壓不穩(wěn)定或電池電量低下時(shí),電源管理模塊可以及時(shí)切換到備用電源或發(fā)出警報(bào)。

2.4.2 節(jié)能管理

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的電能消耗進(jìn)行管理和優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保。電源管理模塊可以根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和需求,動(dòng)態(tài)調(diào)整電源的供電方式和功率輸出,以降低能耗。在系統(tǒng)空閑或低負(fù)載時(shí),可以降低電源的功率輸出,減少能源浪費(fèi)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件程序架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 主程序

(1)圖像采集模塊:負(fù)責(zé)通過(guò)攝像頭獲取垃圾圖像,并傳遞給圖像處理模塊進(jìn)行處理。

(2)圖像處理模塊:使用圖像識(shí)別算法對(duì)垃圾圖像進(jìn)行處理和分析,提取垃圾的特征和屬性。

(3)分類(lèi)模塊:根據(jù)圖像處理模塊提供的特征和屬性,使用分類(lèi)算法將垃圾分為不同的類(lèi)別。

(4)控制模塊:根據(jù)分類(lèi)結(jié)果,控制機(jī)械臂和傳送帶的運(yùn)動(dòng),將垃圾分揀到相應(yīng)位置。

(5)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊:負(fù)責(zé)存儲(chǔ)垃圾的分類(lèi)信息和相關(guān)數(shù)據(jù),以便后續(xù)分析和統(tǒng)計(jì)。

3.1.2 中斷程序

(1)傳感器中斷:當(dāng)傳感器檢測(cè)到垃圾的重量、體積或其他特征發(fā)生變化時(shí),會(huì)觸發(fā)中斷程序,通知主程序進(jìn)行相應(yīng)地處理。

(2)緊急停止:當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或其他緊急情況時(shí),中斷程序可以立即停止主程序的執(zhí)行,保證系統(tǒng)的安全性。

(3)用戶(hù)交互:當(dāng)用戶(hù)進(jìn)行操作或設(shè)置時(shí),中斷程序可以響應(yīng)用戶(hù)的請(qǐng)求,進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.2 垃圾分揀流程設(shè)計(jì)

首先,由重量傳感器模塊及圖像傳感器模塊判斷是否有垃圾。若檢測(cè)到有垃圾,則通過(guò)圖像傳感器識(shí)別后與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),判斷是否為有害垃圾,若無(wú)有害垃圾,則繼續(xù)判斷是否為可回收垃圾。其次,通過(guò)溫濕度傳感器判斷是否為濕垃圾[4]。垃圾分類(lèi)判斷完成后,由電機(jī)模塊控制機(jī)械臂和傳送帶將垃圾歸到對(duì)應(yīng)的垃圾桶中,并將垃圾桶的信息通過(guò)Wi-Fi模塊上傳到服務(wù)器,由顯示屏顯示垃圾的重量、數(shù)量、種類(lèi)。智能垃圾分揀流程[5]如圖2所示。

圖2 智能垃圾分揀流程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了測(cè)試系統(tǒng)的性能情況,本文進(jìn)行了一系列模擬實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)分別模擬了垃圾數(shù)量為20件、40件、100件和200件的情況。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中,保持了有害垃圾、可回收垃圾、干垃圾和濕垃圾的數(shù)量相同。為了評(píng)估系統(tǒng)的性能,本測(cè)試關(guān)注了以下指標(biāo):垃圾識(shí)別準(zhǔn)確率、分揀準(zhǔn)確率和分揀效率[6]。這些指標(biāo)可以幫助了解系統(tǒng)在垃圾分類(lèi)過(guò)程中的準(zhǔn)確性和效率。如表2所示。

表2 不同垃圾數(shù)量下的性能指標(biāo)

從2表中可以看出,隨著垃圾數(shù)量的增加,系統(tǒng)的垃圾識(shí)別準(zhǔn)確率、分揀準(zhǔn)確率和分揀效率都有所提高。這表明系統(tǒng)在處理大量垃圾時(shí)能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別和分揀。然而,隨著垃圾數(shù)量的增加,系統(tǒng)的分揀效率略有下降,這可能是由于系統(tǒng)處理大量垃圾時(shí)的負(fù)載增加所致。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于STM32的智能垃圾分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。利用多種傳感器對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)。這些傳感器包括重量傳感器、紅外傳感器和溫濕度傳感器等。當(dāng)垃圾進(jìn)入分揀系統(tǒng)時(shí),這些傳感器會(huì)讀取垃圾的相關(guān)信息,并將其傳輸?shù)轿⒖刂破髦羞M(jìn)行處理。微控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的算法判斷垃圾的類(lèi)別,并控制機(jī)械手臂和傳送帶等執(zhí)行器將垃圾分揀到相應(yīng)的垃圾桶中。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該智能垃圾分揀系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高準(zhǔn)確率的垃圾分類(lèi)。在實(shí)驗(yàn)中,該系統(tǒng)成功分揀了不同類(lèi)型的垃圾,包括可回收垃圾、有害垃圾和濕垃圾等。同時(shí),該系統(tǒng)的分揀效率和準(zhǔn)確性均高于傳統(tǒng)的手動(dòng)分揀方式。

該基于STM32的智能垃圾分揀系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景,可以應(yīng)用于城市垃圾處理中心、垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站和垃圾填埋場(chǎng)等場(chǎng)所,能提高垃圾處理的效率和準(zhǔn)確性[7]。同時(shí),該系統(tǒng)還可以根據(jù)不同場(chǎng)所的需求進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā),以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。