于 雯，王 艷，張佳佳，陳思思

(泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

我國人民對于垃圾分類的意識在逐步增強，但是目前我們投擲垃圾時，僅僅可以區(qū)分可回收和不可回收垃圾，而且大部分人對可回收和不可回收的概念還不明確，無法對垃圾進行主動的、有針對性的、初步的分類，導(dǎo)致分類垃圾桶在應(yīng)用時形同虛設(shè)，垃圾分類的普及程度不高，無法實現(xiàn)垃圾的有效分類，大量的可回收資源無法回收，從而造成大量的資源浪費。

而市場上常見的智能垃圾箱做到了投擲的智能化，但是僅僅是具有紅外感應(yīng)自動打開垃圾桶蓋的功能，嚴(yán)格意義上講這不屬于智能垃圾桶，無法實現(xiàn)普及而且性價比低[1-3]。如果能設(shè)計一款垃圾桶，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的自動檢測，區(qū)分和存放，不僅能實現(xiàn)資源的二次利用，對于環(huán)境保護、智慧城市建設(shè)也有積極意義。

因此以實現(xiàn)垃圾的分類存放和檢測為目的，采用三維設(shè)計軟件進行垃圾桶機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用鋁合金材質(zhì)進行垃圾桶機械部件的加工，安裝；基于PLC和多傳感器技術(shù)[3,4]開發(fā)一款智能垃圾桶，針對絕大部分垃圾，比如金屬、紙制品、塑料、玻璃瓶等垃圾進行分類；應(yīng)用太陽能發(fā)電技術(shù)，解決垃圾桶日常用電問題；檢測垃圾容量，采用無線通信技術(shù)，當(dāng)垃圾桶達(dá)到一定容量時，發(fā)出警告，并通知相關(guān)人員進行垃圾處理；實現(xiàn)垃圾的初步自動分離。

1 研究技術(shù)方法

1.1 城市源頭可回收垃圾的檢測指標(biāo)

通過調(diào)研、查閱相關(guān)資料[6-8]，考慮到技術(shù)實現(xiàn)的可能性，將垃圾分類為金屬垃圾、玻璃垃圾、塑料垃圾、紙張垃圾和其他垃圾。金屬垃圾的檢測可以通過金屬傳感器；源頭垃圾中紙張主要為白色紙張和黃色包裝盒，通過顏色傳感器可以判定；塑料和玻璃垃圾主要為飲料瓶和啤酒瓶，其中塑料垃圾占比較大，針對這兩種垃圾的分類，基于工業(yè)相機的有效高精度的學(xué)習(xí)能力，采用圖像識別的方式進行檢測，通過定義形狀和顏色并進行綜合判定。

1.2 研究技術(shù)路線

選擇合適傳感器，首先制定垃圾檢測方案，傳感器選型確定垃圾檢測方法；采用三維設(shè)計軟件SolidWorks進行垃圾桶機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定垃圾桶形狀，選取合適的電機和傳動裝置，合理布置垃圾桶內(nèi)部筒體、電源、電機、電缸等結(jié)構(gòu)位置；將太陽能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到智能垃圾桶的設(shè)計中，制作匹配的太陽能電路板，同時解決太陽能電板與智能垃圾桶的各個部件之間能量的傳輸和利用問題；結(jié)合PLC、無線通信以及傳感器技術(shù)進行程序開發(fā)、功能調(diào)試，并根據(jù)測試結(jié)果對垃圾桶的結(jié)構(gòu)、程序進行優(yōu)化，最終實現(xiàn)垃圾識別和分揀以及自動報警功能。項目研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 項目研究技術(shù)路線

2 總體設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

要實現(xiàn)垃圾的自動分類，必須設(shè)計科學(xué)的機械裝備，配合傳感器和PLC控制。采用三維設(shè)計軟件SolidWorks進行垃圾桶機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用鋁合金材質(zhì)進行垃圾桶機械部件的加工，安裝，保證檢測到不同垃圾的同時，機械部件配合得當(dāng)，對應(yīng)垃圾精確入箱，實現(xiàn)垃圾分類存放。

垃圾桶檢測和分揀系統(tǒng)箱體結(jié)構(gòu)為矩形，內(nèi)部設(shè)置5個筒體，分別存放5種垃圾。智能垃圾箱采用太陽能發(fā)電裝置給垃圾箱供電，垃圾桶頂面為4塊電池板的安裝位置，用于太陽能的獲取并提供電源，解決電源的供應(yīng)問題；垃圾桶上方設(shè)置2個垃圾投放入口，箱體外設(shè)置紅外傳感器，當(dāng)檢測到垃圾投擲時，垃圾箱箱門自動打開；箱型投擲入口內(nèi)設(shè)置多個傳感器進行垃圾的種類檢測；箱型投擲入口下方設(shè)置擋料板，采用電缸驅(qū)動控制擋料板開合；在垃圾桶筒體下方設(shè)計機械轉(zhuǎn)盤，用于支撐筒體重量，同時根據(jù)傳感器檢測結(jié)果，上方電缸控制擋料盤開啟，同時下方蝸桿傳動裝置帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，將不同種類垃圾自動存放對應(yīng)垃圾小桶內(nèi)，實現(xiàn)垃圾的自動識別和自動存放。垃圾桶結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 垃圾桶結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

控制系統(tǒng)由檢測模塊、電源模塊、運動控制模塊和執(zhí)行模塊組成。電源模塊由太陽能電池板和24 V直流蓄電池組成，4塊PET型6 V/6 W太陽能板通過串聯(lián)的方式持續(xù)給蓄電池供電，實現(xiàn)太陽能和電能的轉(zhuǎn)換，太陽能板和蓄電池之間設(shè)置SYC-L10型太陽能電池板控制器，用于檢測太陽能板的運行情況和當(dāng)前電壓；檢測模塊包括光纖傳感器，金屬傳感器，電容式接近開關(guān)，光纖傳感器采用PRS-310型的光纖放大器探頭和YIBO-NA41型號光纖放大器組成，安裝在垃圾桶的入料蓋右側(cè)，用于判斷是否有人投放垃圾。金屬傳感器采用LJC18A3-B- Z/EX-NPN型直流常開傳感器，放置于檢測區(qū)域下測用于檢測判斷金屬垃圾，電容式傳感器采用LJC18A3-B-Z/BX型支流敞開傳感器；運動控制模塊采用西門子S7-224-cn型PLC控制器，對信號進行采集、接受、處理和控制，數(shù)據(jù)存儲器具有12288 字節(jié)，適用電源為24 V直流電源，PLC 的內(nèi)部構(gòu)成主要為中央處理器 CPU、存儲器和編程器。輸入輸出接口數(shù)量分別為 14 個和 10 個，輸入接口將各種信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，輸出接口則輸出電信號。執(zhí)行模塊為直流電機：參數(shù)為25GA-370、步進電機：參數(shù)為普菲德57BYG250H 、轉(zhuǎn)矩2.8N、 步距角1.8°，驅(qū)動擋料板和轉(zhuǎn)盤機構(gòu)運動?？刂葡到y(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 智能垃圾桶控制系統(tǒng)

3 PLC程序控制

3.1 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件主要由信號采集模塊和主控制模塊兩部分組成，信號采集模塊將信號送至 PLC，PLC 執(zhí)行相應(yīng)的程序，通過控制步進電機和電缸協(xié)同工作，完成垃圾的投放、識別和存儲等一系列動作，程序流程如圖4所示。

圖4 控制程序流程圖

程序執(zhí)行之前，運行初始化程序，復(fù)位所有元器件，步進電機回到原點位置。當(dāng)需要投擲垃圾時，程序開始執(zhí)行。光纖傳感器檢測識別距離，確認(rèn)需要投擲垃圾，PLC接受信號，啟動電機，控制開啟入料蓋，完成投擲過程。

垃圾檢測按照金屬、紙張、塑料、玻璃的順序依次進行。箱體內(nèi)金屬傳感器優(yōu)先檢測是否為金屬，如果檢測到是金屬垃圾，PLC接收信號，輸出金屬倉所需的步進脈沖數(shù)，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動帶動相應(yīng)機械結(jié)構(gòu)部分(轉(zhuǎn)盤)轉(zhuǎn)動，將垃圾存放至金屬垃圾桶內(nèi)。完成后，復(fù)位除步進外的所有電機以及PLC內(nèi)部變量，完成金屬垃圾入料環(huán)節(jié)。

將黃色包裝盒和白色紙張作為第二檢測對象，采用顏色傳感器檢測。

塑料和玻璃的檢測采用基恩士IV2-G500CA型工業(yè)相機檢測，其具備清晰高速處理圖像的能力，保證的檢測的精度和速度。首先鎖定檢測位置，設(shè)定判斷條件為瓶體輪廓，設(shè)定輪廓識別進行初步判定，用傳感器觀察物體追加瓶蓋顏色面積作為條件識別。如果所有傳感器都檢測不到，定義為其他垃圾。確定為相對應(yīng)垃圾之后PLC接收信號，輸出對應(yīng)垃圾箱所需的步進脈沖數(shù)，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)位置。完成后，復(fù)位除步進外的所有電機和PLC內(nèi)部變量。完成垃圾入料環(huán)節(jié)?？刂瞥绦蛄鞒?，如圖4所示。在這個過程中，合理的調(diào)整檢測距離是垃圾分類的關(guān)鍵技術(shù)。

同時每個垃圾內(nèi)設(shè)計紅外傳感器，檢測向內(nèi)垃圾容量，距離達(dá)到一定范圍內(nèi)，啟動警報系統(tǒng)，基于GSM無線通信模塊發(fā)送垃圾箱位置提醒相關(guān)人員更換垃圾箱，節(jié)省了人力。

3.2 試驗驗證

基于以上設(shè)計和理論，為了驗證垃圾智能檢測方案的合理性，研制的試驗樣機如圖5所示。

圖5 試驗樣機

選取了金屬、黃白紙張、塑料瓶、玻璃瓶不同形態(tài)、大小各30份進行的試驗。通過統(tǒng)計，對應(yīng)檢測準(zhǔn)確性分別為98%，83%，83%，70%；分析原因，垃圾投擲時與傳感器的距離、垃圾的形狀都會影響識別精度，檢測平均準(zhǔn)確性為84.5%，垃圾識別準(zhǔn)確度較好，機械結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)正常。

3.3 需要說明的問題

(1)研發(fā)初期設(shè)定的目標(biāo)在技術(shù)能實現(xiàn)的前提下，實現(xiàn)大部分可回收垃圾的自動檢測，但是不是全部，由于技術(shù)的限制和傳感器的檢測精度的問題，還需不斷改進，并增加檢測樣本。

(2)設(shè)定的可檢測的可回收垃圾樣本，其存在誤檢測的概率，比如顏色識別檢測紙張時，白色塑料瓶可能被檢測為紙張，但是考慮到白色塑料瓶畢竟為少數(shù)，檢測誤差不大；通過擴大樣本數(shù)量和增加樣本的典型性特征，修正檢測誤差；金屬的檢測精度最高且穩(wěn)定。

(3)視覺傳感器采用基恩士傳感器，檢測精度較高，檢測穩(wěn)定性好，因此對于塑料和玻璃的檢測采用視覺傳感器，采用形狀和顏色結(jié)合識別的方法，檢測的精度較好，有效開發(fā)了視覺多傳感器的學(xué)習(xí)能力。但是對于這2種垃圾的區(qū)分，力求找到更加有效的界定方式，比如條形碼輸入。

4 結(jié)論

(1)垃圾分類存放機械裝置。根據(jù)垃圾分類檢測方案，采用三維設(shè)計軟件進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，將智能垃圾桶分成5個區(qū)域進行不同垃圾的存放，結(jié)合機械連桿設(shè)計、異步電機選擇、傳感器的檢測位置選擇以及PLC的應(yīng)用，設(shè)計出合理的智能垃圾桶結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的投放、檢測和分揀。

(2)太陽能供電技術(shù)。將太陽能供電技術(shù)應(yīng)用到智能垃圾桶，不僅解決的電源的供應(yīng)問題，也是我們大力提倡的清潔能源應(yīng)用的方向。太陽能電板與智能垃圾桶的各個部件之間能量的傳輸和利用是技術(shù)亮點，解決的垃圾桶能量供應(yīng)的問題，更能廣泛推廣。

(3)多傳感器配合實現(xiàn)垃圾檢測。垃圾的分揀需要多個傳感器相互配合，傳感器的選擇是智能垃圾桶的關(guān)鍵技術(shù)。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸納，垃圾檢測的準(zhǔn)確性為84.5%，金屬垃圾的檢測準(zhǔn)確性最高。需要說明的是，由于垃圾種類繁多，無法進行細(xì)化，對樣機進行試驗，樣本來源于生活中常見的垃圾，系統(tǒng)實現(xiàn)大部分垃圾的初步分類。