自动化与仪表2020,35(12)智能垃圾分拣系统的设计DOI：10.19557/j.cnki.1001-9944.2020.12.007郜辉，吕志刚，王宾，毛琳，王辛（西安工业大学电子信息工程学院，西安710032）摘要：针对现阶段人们垃圾分类意识淡薄，缺少财力投入和准确高效的指导，垃圾分类实施起来较为困难这一现状，设计了一套智能垃圾分拣系统。智能垃圾分拣装置采用STM32作为主控制器，通过各种传感器自动检测垃圾种类；由执行机构将垃圾放入所对应的垃圾桶中，并显示垃圾检测结果，将数据上传到服务器。该系统可帮助人们高效地分拣回收垃圾，能有效提高垃圾回收效率，提高资源的可回收性。关键词：垃圾分拣；智能系统；传感器；STM32；检测装置；模块中图分类号：TP212.9；TU824.5文献标志码：B文章编号：1001-9944（2020）12-0031-04DesignofIntelligentGarbageSortingSystemGAOHui，LVZhi-gang，WANGBin，MAOLin，WANGXin（SchoolofElectronicsandInformationEngineering，Xi’anTechnologicalUniversity，Xi’an710032，China）Abstract：Aimingatthecurrentsituationthatpeoplehaveaweaksenseofgarbageclassification，lackoffinancialinputandaccurateandefficientguidance，itisdifficulttoimplementthegarbageclassification，andasetofintelli-gentwastesortingsystemisdesigned.TheintelligentgarbagesortingdeviceusesSTM32asthemaincontroller，andautomaticallydetectsthegarbagethroughvarioussensors.Theactuatorputsthegarbageintothecorrespondinggarbagecan，displaysthegarbagedetectionresults，anduploadsthedatatotheserver.Thissystemcanhelppeopletoefficientlysortandrecyclegarbage，andcaneffectivelyimprovetheefficiencyofgarbagecollectionandtherecy-clabilityofresources.Keywords：garbagesorting；intelligentsystem；sensor；STM32；detectiondevice；module收稿日期：2020-09-10；修订日期：2020-11-04基金项目：西安市科技计划项目（2020KJRC0033）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2020JQ-816）作者简介：郜辉（1992—），男，硕士，助教，研究方向为嵌入式控制、移动机器人。早在2004年中国就已经超越美国成为世界第一垃圾制造大国[1]，这些垃圾大多数通过土埋或者远距离堆放，尽管远离人们所生活的场所，但也不能完全隔开污染，所造成的污染不会凭空消失，它们会在大自然生态系统的周期性中再次回到生活中，通过可接触到的种种资源，危害生命健康[2]。垃圾分类检测装置能大幅度提高垃圾的转换效率[3]，能够让垃圾在投入时就已经实现分类，进而能够为垃圾的投放、转运、回收处理提高一定的效率，可节省土地，减少焚烧污染，资源回收可利用更便利化[4]。通过对垃圾种类的辨别，在此设计了一套智能垃圾分拣系统。该系统包括一个智能垃圾分拣装置和一个服务器，智能垃圾分拣装置负责检测垃圾并对垃圾进行分类，对检测结果进行上传，服务器负责接收和存储垃圾数据，有助于对居民生活状态进行分析。智能垃圾分拣系统能有效提高垃圾回收效率，达到保护环境的目的，减少环卫工人的工作难控制系统与智能制造31

Automation＆Instrumentation2020,35(12)度，同时可提高资源的可回收利用，对生态环境有着重大作用。1智能垃圾分拣系统设计指标通过分析常见垃圾的种类，以及世界各类智能垃圾桶发展的趋势，该系统对日常常见垃圾进行了分类，并以此为依据设计了智能垃圾分拣系统设计指标。该指标具体如下：①实现4类垃圾（可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾）的检测；②检测时间不超过5s；③检测后的显示结果清晰直观；④可自动对垃圾进行分类投放；⑤服务器可存储垃圾分类信息。在此，通过对城市居民生活中常见垃圾的颜色、气味、导电性、含水分程度进行参考研究，综合国内外智能垃圾桶的调查研究结果[5]，选定了可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾等4类垃圾为检测对象。这4类垃圾物理特性分析见表1。可回收垃圾主要包括塑料、玻璃、金属等，其中金属类可回收垃圾可直接测量判定，塑料与玻璃可回收垃圾可通过垃圾透明度进行判定；厨余垃圾主要包括剩菜剩饭、菜根菜叶、果皮等，可通过检测垃圾湿度进行判别；有害垃圾主要包括废电池、废日光灯、废水银温度计等，可通过既包含金属成分，又包含其他材料进行判别；其他垃圾，主要有砖瓦陶瓷、渣土等，可通过检测垃圾密度进行判别。2智能垃圾分拣系统硬件设计该系统采用STM32F103ZET6芯片作为主控芯片，由金属传感器、透明度传感器、湿度传感器、质量传感器、GPS定位模块、显示模块、报警模块、服务器端、电机控制模块组成。垃圾投入智能垃圾分拣装置后，传感器模块按顺序动作，将所测得信号传至STM32单片机，经判断后检测出所属垃圾分类，通过显示模块显示分类结果，通过报警模块提示垃圾属于4类垃圾之外的垃圾，通过电机控制模块分类投放垃圾，通过服务器端显示垃圾分类数据。智能垃圾分拣系统总体硬件如图1所示。2.1金属传感器模块金属传感器模块为智能垃圾分拣系统的检测模块之一，用于判断所测物体是否为金属，当有金属垃圾靠近时，金属传感器的指示灯就会亮；在振荡器中会产生交变磁场，金属垃圾内产生涡流就会使金属振荡器减弱，直至停止振荡。这个从振荡到停止振荡的过程让后级放大电路转成了开关信号，从而检测到是否有金属类垃圾。此类检测无需接触，检测距离为4mm。在此所采用的LJ12A3-4-Z/BX电感式金属传感器响应量变化程度高，响应时间短，抵抗外部干扰性强，工作稳定可靠，大部分以黄铜镀镍探头为主。金属传感器模块电路连接如图2所示。2.2透明度传感器模块透明度传感器为智能垃圾分拣系统的检测模块之一。该传感器采用红外对管，用于识别物体透明度，检测是否为塑料、玻璃类垃圾。当塑料、玻璃类有透明度的垃圾进入红外对管传感器的检测范围时，红外对管的发射端发射光束，接收端来接收光束，接收端判断收到的光线亮或不亮，以此检测塑料与玻璃类有透明度的垃圾。透明度传感器还用于检测每个垃圾桶是否已满，如果装满则通知工作人员来处理垃圾。透明度传感器电路连接如图3所示。表1四类垃圾物理特性分析Tab.1Analysisofphysicalcharacteristicsoffourtypesofgarbage种类常见垃圾物理特性与判别准则可回收垃圾塑料、玻璃、金属等金属材料可直接测量判定，塑料及玻璃可通过垃圾透明度进行判定厨余垃圾剩菜剩饭、菜根菜叶、果皮等厨余垃圾湿度比较高，检测垃圾湿度即可判别出厨余垃圾有害垃圾废电池、废日光灯管、废水银温度计等既包含金属成分，又包含其他材料时判别为有害垃圾其他垃圾砖瓦陶瓷、渣土等其他垃圾密度比较大，测量垃圾密度即可判别出其他垃圾图1智能垃圾分拣系统总体硬件框图Fig.1Overallhardwareblockdiagramofintelligentgarbagesortingsystem金属传感器透明度传感器湿度传感器质量传感器GPS定位模块STM32F103ZET6显示模块报警模块服务器端电机控制模块图2金属传感器模块电路连接Fig.2CircuitconnectionofmetalsensormoduleVCCS1GNDVCCS1GND控制系统与智能制造32

自动化与仪表2020,35(12)2.3湿度传感器模块湿度传感器为智能垃圾分拣系统的检测模块之一，用于对果皮、剩菜剩饭等垃圾进行检测，检测垃圾是否有含水分。该检测采取接触式检测，以达到测量更为准确的目的。该传感器部分设计有可调变阻器，可以通过调节该变阻器来调节湿度的阀值。湿度传感器电路连接如图4所示。2.4质量传感器模块质量传感器为智能垃圾分拣系统的检测模块之一，用于检测垃圾的密度，以区分是否为其他垃圾。该设计采用电子称变送器模块，DC5V供电，RS485输出，工作电流小于10mA，最大可测量10kg的物品。对固定体积的垃圾测量重量，以计算垃圾的密度。质量传感器模块电路连接如图5所示。2.5显示模块通过单片机传递的信号显示当前测量结果，显示当前垃圾属于什么垃圾。经传感器检测，若为此类垃圾则显示所对应垃圾种类的汉字。显示模块由TFT-LCD显示屏来显示汉字。显示模块电路连接如图6所示。2.6报警模块当一系列传感器检测完后，若都不属于上述4类垃圾，则蜂鸣器发出滴声。报警模块电路连接如图7所示。2.7GPS定位模块与服务器端GPS定位模块检测垃圾桶的位置，并将GPS定位信息通过RS232串口上传到服务器端。服务器端用来处理智能垃圾分拣系统的检测数据，统计各种垃圾的数据及比例，并在上位机软件上面进行显示，便于工作人员统计垃圾数据。该系统通过RS232通信，将垃圾检测信息上传至服务器端，RS232通信模块电路连接如图8所示。2.8电机控制模块检测出垃圾种类后，STM32主控模块会控制电机控制模块将垃圾投放到对应的垃圾桶内，使垃圾达到分类处理的目的。该系统采用ULN2003芯片作为电机驱动芯片，通过四线制的脉冲信号以控制电机的正反转。电机控制模块电路连接如图9所示。图3透明度传感器电路连接Fig.3Transparencysensorcircuitconnection（a）发射端（b）接收端VCCGNDVCCGNDVCCOUTGNDVCCOUTGND图4湿度传感器电路连接Fig.4CircuitconnectionofhumiditysensorVCC10kΩ1kΩD0A0104104湿度传感器10kΩ1041kΩ104图5质量传感器模块电路连接Fig.5Circuitconnectionofmasssensormodule图6显示模块电路连接Fig.6Displaymodulecircuitconnection3.3V100nFTFT13579111315171921232527293133246810121416182022242628303234SPI1SCKSPI1MOSISPI1MISOTOUCHCSTOUCHPENFSMCD8FSMCD9FSMCD10FSMCD11FSMCD12FSMCD13FSMCD14FSMCD15NRSTFSMCNEWFSMCNE4FSMCA0FSMCNOEFSMCD7FSMCD6FSMCD5FSMCD4FSMCD3FSMCD2FSMCD1FSMCD0图7报警模块电路连接Fig.7CircuitconnectionofalarmmoduleGNDR33R31BEEPVCC3.3VPGQ1RXD1485DIRTXD1ROVCCREBSEATIGND2525485VCC150pF10kΩ252510kΩ485VCCRS485通信MAX485控制系统与智能制造33

Automation＆Instrumentation2020,35(12)3智能垃圾分拣系统总体软件设计当垃圾投置于智能垃圾分拣装置内时，垃圾需要处在5种传感器检测模块都能检测到的范围中，此时再按下开启按键。当按键按下后，认为有垃圾投入智能垃圾分拣装置中，则将开始一轮检测：金属传感器先进行检测，如果含有金属，则继续判断是否含有其他材料，若含有其他材料则视为有害垃圾，若不包含其他材料则为可回收垃圾；如果不包含金属材料，则判断是否为透明垃圾，若为透明垃圾则作为可回收垃圾，如果不是透明垃圾，则判断垃圾是否是湿的；若为湿的则为厨余垃圾，如果垃圾不是湿的，则判断垃圾密度，密度大的为其他垃圾，密度小的为未知垃圾。垃圾分类检测完成后，电机控制模块将垃圾投放到相应的垃圾桶中，并将垃圾桶位置信息、垃圾桶装满信息、垃圾种类信息、数量信息上传至服务器端。智能垃圾分拣系统总体软件流程如图10所示。4智能垃圾分拣系统服务器设计在OneNET开发平台上，使用模块化编程对智能垃圾分拣系统服务器进行设计。服务器主要功能如下：获取可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾、未知垃圾的垃圾数量及各个垃圾的占比信息，服务器可以显示智能垃圾分拣装置是否装满，还可以显示智能垃圾分拣系统的位置信息，垃圾装满后会在服务器报警，可以指派工作人员对垃圾进行处理。智能垃圾分拣系统服务器端界面如图11所示。5结语所设计的智能垃圾分拣系统，包括1个智能垃圾分拣装置和1个服务器。该系统可以帮助人们高效的分拣回收垃圾。智能垃圾分拣装置采用STM32作为主控制器，通过各种传感器自动检测垃圾种类，通过执行机构将相应垃圾放进对应的垃圾桶中，在智能垃圾分拣装置上显示垃圾检测结果，并将垃圾桶位置信息、垃圾桶装满信息、垃圾种类信息、数量信息进行统计上传到服务器，通过对垃圾数据处理分析居民的生活状态。图8RS232通信模块电路连接Fig.8RS232communicationmodulecircuitconnection3.3VMAX3232100nF100nF100nFUSART1TXDU2TXUSART1RXDU2RXU1232TXU2232TXU1232RXU2232RXVCCVDDVEEGNDT1INT2INR1OUTR2OUTC1+C1-C2+C2-T1OUTT2OUTR1INR2INU1232TXU2232RXUSART1USART1123U2232TXU2232RXUSART2123图9电机控制模块电路连接Fig.9MotorcontrolmodulecircuitconnectionPA0PA1PA2PA3ABCD图10智能垃圾分拣系统总体软件流程Fig.10Overallsoftwareflowchartofintelligentgarbagesortingsystem上传至服务器电机控制模块开始有其他材料？YNY系统初始化按下按键？YN为金属？NY为透明？N为湿的？NY密度大？YN“其他垃圾”“未知垃圾”“厨余垃圾”“可回收垃圾”“有害垃圾”图11智能垃圾分拣系统服务器端界面Fig.11Interfaceofintelligentgarbagesortingsystemserver控制系统与智能制造（下转第39页）34

自动化与仪表2020,35(12)智能垃圾分拣系统能有效提高垃圾回收效率，达到保护环境的目的，减少环卫工人的工作难度，同时可提高资源的可回收利用对生态环境有着重大作用。参考文献：[1]宋国君.城市生活垃圾分类难点与对策[J].人民论坛，2019，（12）：70-72.[2]樊霄，郭福雁，高瑞，等.基于STM32控制的自动分类垃圾回收箱设计[J].科技创新与应用，2017，（25）：20-21.[3]华俊芳.基于单片机的智能垃圾桶的设计[J].电子世界，2017，39（8）：116-119.[4]包书凝.关于智能分类垃圾桶设计[J].现代制造技术与装备，2018，（11）：64-65.[5]尤肖肖，孔春香.智能垃圾桶的创新设计[J].科技资讯，2019，17（12）：19-22.■（上接第34页）参考文献：[1]LiuHT，ZhouQX，YangJ，etal.Intelligentluminancecontroloflightingsystemsbasedonimagingsensorfeedback[J].Sen-sors，2017，17（2）：321.[2]OhBK，HwangJW，KimY，etal.Vision-basedsystemidentifi-cationtechniqueforbuildingstructuresusingamotioncapturesystem[J].JournalofSoundandVibration，2015，356：72-85.[3]KrasnovE，BagaevD.Conceptualanalysisoffirefightingrobots’controlsystems[C]//2012ⅣInternationalConference：ProblemsofCyberneticsandInformatics（PCI）.IEEE，2013：12-14.[4]方江平.消防灭火机器人研究进展[J].今日消防，2020，5（3）：19-22.[5]DharmendraS，ShishirKD，EktaD，etal.Arduinoandsensorsbasedfirefightingrobot[J].i-manager’sJournalonInstrumenta-tionandControlEngineering，2018，6（2）：37-43.[6]乔俊福，郭晋秦，李永伟.基于激光导航的灭火机器人定位系统设计[J].激光杂志，2019，40（12）：94-97.[7]卢彪，陈宇，邱慧丽.基于多传感器信息采集技术的灭火机器人系统设计[J].廊坊师范学院学报：自然科学版，2019，19（3）：36-38，41.[8]邢进，王召松，牛树训.移动式自动灭火机器人及其灭火方法研究[J].信息与电脑：理论版，2019，31（12）：107-108.[9]俞仁，赵虹，王政忠，等.基于单片机的灭火机器人控制系统设计[J].轻工科技，2019，35（3）：72-74，83.[10]RajPA，SrivaniM.Internetofroboticthingsbasedautonomousfirefightingmobilerobot[C]//2018IEEEInternationalConferenceonComputationalIntelligenceandComputingResearch（ICCIC）.IEEE，2018：18869891.[11]RajuJ，MohammedSS，PaulJV，etal.Developmentandim-plementationofarduinomicrocontrollerbaseddualmodefireextinguishingrobot[C]//2017IEEEInternationalConferenceonIntelligentTechniquesinControl，OptimizationandSignalPro-cessing（INCOS）.IEEE，2018：17613721.■[3]ChenJL，WuX，ChenS，etal.SensorlessfluxadaptionDTFCofanIPMSMbasedonanactiveflux-basedMTPAandanadaptivesecond-orderslidingmodeobserver[J].IETPowerElec-tronics，2020，13（9）：1875-1884.[4]LiHB，QianY，AsgarpoorS，etal.Simulationstudyonon-lineMTPA/MTPVtrajectorytrackinginPMSMswithpowermanage-ment[J].ElectricPowerComponentsandSystems，2020，48（3）：241-255.[5]刘海斌，张海强，王毅，等.基于MATLAB/GUI的内置式永磁同步电动机MTPA离线计算系统[J].机电工程技术，2020，49（5）：21-23，94.[6]王青，刘旭，李珊瑚，等.基于闭环电压反馈的混合励磁电机弱磁控制[J].微电机，2019，52（9）：68-73.[7]郭栋，张波，王巍，等.混合励磁同步电机弱磁控制[J].电机与控制学报，2020，24（5）：135-142.[8]方晓春，胡太元，林飞，等.基于交直轴电流耦合的单电流调节器永磁同步电机弱磁控制[J].电工技术学报，2015，30（2）：140-147.[9]刘雨石，乔鸣忠，朱鹏.基于SVPWM过调制的超前角弱磁控制永磁同步电机的策略研究[J].电机与控制应用，2018，45（2）：28-33.[10]李雪，迟颂，刘聪，等.基于虚拟电阻的永磁同步电机单电流调节器弱磁控制[J].电工技术学报，2020，35（5）：1046-1054.[11]金鑫.永磁同步电机弱磁控制策略研究[D].大连：大连交通大学，2018.[12]姜鹏，宋立业.基于模糊扰动观测器的PMSM积分滑模控制研究[J].计算机应用与软件，2020，37（1）：93-97，150.[13]胡堂清，张旭秀.基于改进模糊PI控制器的PMSM矢量控制系统仿真[J].自动化与仪表，2019，34（6）：91-95.[14]柯希彪，郭琳，袁训锋，等.基于模糊控制的永磁同步电机滑模观测器控制[J].自动化与仪表，2020，35（5）：34-39.[15]赵峰，罗雯，高锋阳，等.基于模糊滑模控制器和两级滤波观测器的PMSM无位置传感器混合控制[J].控制理论与应用，2020，37（8）：1865-1872.[16]张红伟，王海林.PMSM无传感器模糊直接转矩控制系统[J].控制工程，2019，26（9）：1642-1647.■（上接第30页）人工智能与机器人■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■39