基于嵌入式的垃圾分類控制系統設計

摘 要：垃圾智能分類能夠提高垃圾的利用效率，改善生活環境。隨著智能技術的發展，智能垃圾分類成為研究的熱點。針對智能垃圾分類系統的組成部分—基于嵌入式垃圾分類控制系統，給出了垃圾分類控制系統總體設計方案，從硬件設計和軟件設計兩方面對系統進行了詳細的闡述。最后經過組裝調試，實現了根據垃圾類型自動分類并運輸到相應垃圾桶的功能，以及在垃圾桶內垃圾超過預定高度時進行遠程短信預警的功能，并且系統運行穩定。

關鍵詞：嵌入式；垃圾分類；控制系統；分類運輸；短信預警；智能垃圾桶

中圖分類號：TP11 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

隨著社會的發展，垃圾數量逐年增加。2016—2019年，全國大、中城市生活垃圾產生量年均增長率超過7.7%[1]。隨著垃圾產生量的增多，垃圾分類處理變得尤為重要，合理的分類處理方法將直接影響垃圾回收的價值和垃圾處理的效率[2-4]。當前，我國垃圾分類制度不夠完善，人們的垃圾分類意識也較淡薄，缺乏分類的主動性[5-6]。而智能化垃圾分類處理方法能夠有效地改善城鄉環境，提高垃圾利用

效率[7-8]。隨著智能化技術的發展，越來越多的智能化技術被運用到垃圾分類系統，垃圾分類系統的研究逐漸成為當下的一個熱點[9]。本文主要研究基于嵌入式的垃圾分類控制系統，它是智能垃圾分類系統的一個重要組成部分，其主要功能是根據垃圾類型通過控制電機帶動履帶運送垃圾到對應種類的垃圾箱。當垃圾箱里面的垃圾超過設定高度，系統將自動發送報警短信給垃圾箱管理員，請管理員及時處理，實現智能分類運送和智能報警的功能。

1 系統總體方案設計

通常垃圾被分為四類，包括可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾[10]。基于嵌入式的垃圾分類控制系統作為智能垃圾分類系統的一部分，主要從串口接收來自上位機的垃圾種類信息，根據垃圾類別，通過控制電機運轉帶動履帶將不同種類的垃圾運輸到指定垃圾箱位置，再由舵機將垃圾推送到指定垃圾箱中，從而達到對垃圾進行分類處理的目的。同時在垃圾箱特定位置安裝了傳感器模塊，傳感器模塊檢測垃圾是否堆積到模塊安裝位置，如果垃圾到達傳感器模塊安裝位置，傳感器模塊將會檢測到信號并發送給控制器，控制器通過通信模塊發出預警，并短信提醒工作人員及時處理垃圾。

2 系統硬件設計

嵌入式垃圾分類控制系統的硬件結構如圖1所示，主要包括控制器模塊、電機模塊、舵機模塊、紅外傳感器模塊、GPRS通信模塊。

2.1 控制器模塊

控制器模塊選擇STM32系列的STM32F103ZET6單片機，主要負責通過串口接收上位機垃圾種類信息，控制電機模塊和舵機模塊將垃圾運送到對應類別的垃圾箱，同時控制器模塊根據傳感器模塊信息發送預警短信到指定手機，提醒工作人員處理垃圾箱的垃圾。系統采用12 V鋰電池供電，電源通過DC-DC轉換器將12 V電壓轉換成5 V電壓，通過穩壓芯片ASM1117將5 V電壓轉換至3.3 V，為控制器和各個模塊提供電壓。

2.2 電機模塊

電機模塊由28BYJ48步進電機和ULN2003驅動器芯片組成。28BYJ48步進電機是一種常見的四相八拍型電機，它在控制方面相對簡單，只需通過控制不同的線圈組合方式即可實現不同步距角和方向的旋轉。通過設定電機的轉速和轉動時間可以帶動履帶運送垃圾到不同的垃圾箱位置。

2.3 舵機模塊

舵機模塊選擇SG90S舵機，控制器通過控制PWM脈沖的占空比，改變舵機輸出軸的位置，輸出軸帶動臂長桿轉動相應的角度，將分類后的垃圾推入到指定垃圾箱。單片機發送的PWM信號脈沖寬度0.5 ms對應舵機輸出軸轉角-90°，而2.5 ms對應舵機輸出軸轉角90°，二者的絕對值加起來剛好180°，可以將履帶上的垃圾推入相應位置的垃圾箱。

2.4 紅外傳感器模塊

紅外傳感器模塊由紅外線發射管、濾光片、紅外線接收管等部件組成，當發射管發射出一定頻率的紅外線時，在檢測方向遇到障礙物，紅外線被反射回來并被接收管接收；經過比較器電路處理后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數字信號，這個信號將作為后續報警信息發射的條件之一。

2.5 GSM通信模塊

選取SIM800C模塊作為GSM通信模塊，通過串口和控制器相連，控制器根據收集到的紅外傳感器報警信號并且5 s后依然能夠收到報警信號來判斷是正常的垃圾投放導致的紅外傳感器報警，控制器發送報警短信給指定的手機號碼，通知工作人員及時處理垃圾。

3 系統軟件設計

3.1 垃圾分類運輸模塊程序設計

垃圾運輸模塊程序主要是先接收上位機的垃圾類型信息數據，然后控制器根據垃圾類型控制步進電機的運轉帶動履帶將垃圾運輸到對應垃圾箱位置，再控制舵機將垃圾掃入對應種類的垃圾箱。

圖2所示為垃圾分類運輸模塊程序流程，該模塊的主要功能是傳輸垃圾到指定垃圾箱位置，然后用舵機模塊帶動擋板將垃圾推入對應垃圾箱。系統初始化后，上位機發動垃圾類型識別，垃圾類型“1”代表運輸垃圾類型為可回收垃圾，選用單四拍通電模式運行電機，設定參數使電機運轉一圈需要花費24.576 s，24.576 s后電機運轉1圈；垃圾類型“2”代表運輸垃圾類型為廚余垃圾，設定參數使電機運轉一圈需要花費12.288 s，24.576 s后電機將運轉2圈；垃圾類型“3”代表運輸垃圾類型為有害垃圾，設定參數使電機運轉一圈需要花費8.192 s， 24.576 s后電機將運轉3圈；上位機傳遞信息“4”，代表運輸垃圾類型為其他垃圾，設定參數使電機運轉一圈需要花費6.144 s，24.576 s后電機將運轉4圈。電機運轉不同的圈數，電機帶動履帶運送垃圾到不同的位置，具體的轉動距離可以根據垃圾箱的幾何尺寸設定，不同的位置放置對應垃圾類型的垃圾桶；電機停止轉動后，舵機帶動擋板轉動180°，擋板將履帶上的垃圾推入對應的垃圾桶，垃圾分類運輸結束。

3.2 垃圾檢測預警模塊程序設計

該模塊對垃圾箱內的垃圾進行檢測和預警。紅外傳感器每隔一定時間通過單片機的定時器中斷程序對垃圾進行檢測，如果紅外傳感器被遮擋且持續5 s以上，單片機則通過GSM通信模塊SIM800C向工作人員發送預警短信，提醒其對垃圾箱進行清理。

圖3所示為垃圾桶內垃圾檢測預警流程。調整紅外傳感器感應范圍，將其放置在距離垃圾桶最高處5 cm的截面的對角位置，當有垃圾被紅外傳感器檢測到，傳感器輸出引腳變為低電平，延時5 s后該引腳依然為低電平，表示遮擋垃圾長期存在，垃圾超過檢測高度；此時控制器通過通信模塊給管理員手機發送預警短信，通知其垃圾桶快裝滿需盡快處理垃圾桶里面的垃圾。

4 模塊測試

根據設計方案，對各個模塊進行測試，測試的主要內容見表1所列。

模塊測試完成后對系統進行聯調，用串口調試助手模擬上位機軟件，給控制器發送垃圾類型信息，將垃圾類型設定為“1”表示垃圾為可回收垃圾，設定為“2”表示垃圾為廚余垃圾，設定為“3”表示垃圾為有害垃圾，設定為“4”表示垃圾為其他垃圾。系統根據串口發送的垃圾信息，控制電機轉動速度，帶動履帶移動不同的距離，實現垃圾的運輸；然后控制舵機轉動180°完成垃圾推送任務。同時當控制器5 s內都能接收到紅外檢測模塊因紅外線遮蔽發送的信號時，控制器通過通信模塊發送“該垃圾箱已填滿，請盡快處理！”的短信到相應手機。測試結果表明，系統基本能夠實現垃圾的運送、投遞和報警功能。

5 結 語

隨著智能化設備的發展和垃圾總量的增加，智能垃圾分類系統的研究將具有重要意義。本文研究基于嵌入式的垃圾分類控制系統，闡述了控制系統的硬件和軟件設計。經過安裝測試表明，通過各個模塊的互相作用能夠實現預期的兩大基本功能。在實際測試中，該系統運行穩定、可靠，對智能垃圾分類系統的實現有一定的意義。

參考文獻

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