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基于单片机的垃圾收集自动控制系统设计与实现
摘要：针对景观水域水面垃圾清理存在的安全性差、成本高、清理不灵活等问题，设计了基于单片机的垃圾收集自动控制系统。该系统采用型号为STM32F103的单片机作为主控芯片，并集成了OpenMV模块、GPS模块、蓝牙模块和电机，具有垃圾自动收集功能。测试结果表明，系统能够实现对水域中漂浮垃圾地有效识别和精准收集，有效提升垃圾清理效率。
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随着社会的发展,景观水域如湖泊､河流等的垃圾问题日益突出,给环境和生态系统带来了严重的影响｡因此,设计一种能够智能捕捉水域漂浮物的装置成为了人们关注的焦点｡这种装置将能够高效､智能地收集水域漂浮物,解决水域垃圾问题,对环境保护和生态平衡具有重要意义｡
传统人工打捞和使用大型装置都需要大量的人力物力或能源投入,成本高昂且效率低下｡同时,它们都或多或少存在对水域生态环境的影响,可能会破坏生态平衡｡此外,在应对大范围水域的清理工作时,这两种方式都难以全面覆盖,无法及时清理水域中的漂浮物｡
由此,研究者们设想通过结合多种打捞方式,设计一种高效､智能的打捞装置[1-9]｡文献[10]提出利用机器人的视觉传感器采集图像数据,通过经训练的KNN算法,可以实现机器人对周围环境漂浮垃圾的识别､定位和追踪,从而实现垃圾清理机器人的自主视觉引导运动和垃圾的自动清理,然而,现有的实现方式相对复杂｡文献[11]研究并设计了借助太阳能作为动力源,结合视觉识别技术实现对垃圾种类的智能识别,这一方法在视觉识别方面取得了新的突破,并且在该领域进行了进一步扩展｡文献[12]提出通过利用互联网技术,可以将垃圾桶的状态信息发送到负责该区域垃圾回收管理端,实现对垃圾收集的实时监管,这一方法对垃圾回收管理具有重要意义｡文献[13]设计了一种水上垃圾清理船,通过船体两侧的固体垃圾收集装置收集水上固体垃圾,通过前侧的油类垃圾收集装置吸收油类垃圾,通过联动门机构完成水上固体垃圾的搬运及干湿分离｡然而,此方式工作效率不高｡
基于现有湖面垃圾收集的问题,本文设计了一种同时集成传感系统､执行系统和无线远程控制系统,能够自动识别水面垃圾并进行快速､精准收集,支持自动返航功能的垃圾收集自动控制系统,实现了对水面垃圾的高准确率捕捉,提高了清洁效率｡
1、系统硬件设计
基于单片机的控制系统包括主控芯片､OpenMV模块､GPS模块､蓝牙模块､电机和LED显示屏,如图1所示｡
图1整体框架
OpenMV模块负责对周围环境进行图像识别,可识别出垃圾的位置和种类;GPS模块用于定位当前位置,为系统自动巡航提供目标坐标;蓝牙模块用来与用户移动终端进行通信,控制该系统的巡航方向;电机主要包括左､右电机和滤网,通过两个电机与滤网的连接实现垃圾收集;LED显示屏用于显示该系统的剩余电量､运行时间､行驶距离等状态参数｡
该系统的整体运行流程为:OpenMV和GPS模块将采集的数据通过串口等方式传输给主控芯片,主控芯片对传来的数据进行解析和处理,确定垃圾收集的具体位置和巡航路线,并根据识别结果控制左､右电机和滤网运动,实现对垃圾的收集和分拣,同时,电机通过连接的滤网将垃圾收集起来,进行初步的分类处理;主控芯片将系统的运行状态､电量､行驶距离等参数发送给LED显示屏,LED显示屏实时显示相关状态信息｡用户可以通过蓝牙模块连接移动终端,通过APP或指令控制系统的巡航方向､速度等参数,用户也可以手动干预系统的运行,比如手动控制电机进行特定位置的垃圾收集｡
1.1主控芯片
主控芯片是系统的核心控制单元,主要作用是:根据OpenMV和GPS模块采集的数据进行决策,控制电机的运转,实现系统的自动巡航和垃圾收集功能｡本系统采用STM32单片机作为主控芯片,型号为STM32F103,具有高性能､低功耗､高运算､强大的开发工具支持等特点｡
芯片工作电压范围为2~3.3V,晶振频率为72MHz,接收电流范围为0~220mA,发送电流为20mA｡同时,可以通过设置指令来调整串口波特率和串口方式｡STM32F103C8T6集成芯片的主要技术参数见表1｡
表1STM32F103C8T6集成芯片的主要技术参数
1.2OpenMV
OpenMV模块是一种嵌入式视觉处理模块,主要用于识别垃圾的位置和种类,为系统提供实时环境信息,帮助系统准确定位垃圾并进行相应处理｡OpenMV的P4口和P5口用于通信,分别与单片机的PA9口和PA10口连接进行信息传输｡
1.3GPS
GPS用于提供系统当前的位置坐标,帮助系统规划巡航路线和定位目标垃圾的位置｡采用型号为u-bloxNEO-6M的GPS,该GPS具有精准定位､易于集成､低功耗的特点,GPS通过P0口与单片机连接｡
1.4蓝牙模块
蓝牙模块可以实现用户与系统的交互,用户通过连接蓝牙模块的移动终端控制系统的运行参数,比如巡航方向､速度等｡系统采用的蓝牙模块型号为HC05,具有短距离通信､低功耗､安全性高等特点,该蓝牙模块的TX口和RX口用于串行通信的数据传输,分别与单片机的PA0口和PA1口连接｡
1.5电机
电机可以驱动系统的轮子实现自动巡航和垃圾收集功能｡系统采用的电机型号为42BYGH34BYGH,该电机具有能量转换效率高､可逆性强和可控性高等特点,电机通过P1.4口与P1.5口与单片机连接｡
1.6LED显示屏
LED显示屏可以实时显示系统的运行状态信息,用户可以通过LED显示屏了解系统的工作情况,方便监控和管理系统运行｡该LED显示屏具有距离通信短､功耗低､安全性高等特点｡LED显示屏通常使用I2C协议通信,其中,SCL是I2C总线上的时钟信号线,用于同步数据传输,SDA是I2C总线上的数据信号线,用于传输实际的数据位,分别与单片机的PB6口和PB7口连接｡
2、系统软件设计
2.1系统主流程
开始时,首先进行系统初始化:系统需要初始化各模块,包括单片机､OpenMV､GPS､蓝牙模块､电机和LED显示屏等,以确保系统处于可操作状态,各硬件设备都可正常工作｡
判断是否识别到垃圾:通过OpenMV捕获图像,经过图像处理和分析,系统可以识别出是否存在垃圾｡如果识别到预设的垃圾图像,则系统会进行下一步处理;如果为非预设图像,则系统返回单片机初始化阶段,重新开始识别过程｡
一旦系统识别到垃圾,接下来将寻找最佳的拾取路线,以便机械臂能够快速且准确地拾取垃圾｡最佳路线的具体实现方式如下:
(1)通过结合机器视觉和YOLOv2算法,提取水面垃圾坐标和面积信息,从而使装置能够自动规划最佳路线｡
(2)Faster-RCNN网络是一种用于目标检测的算法,采用预选框提取方法,并使用anchorboxes(锚箱)相对于先验框的偏移值来预测边界框｡
(3)边界框位置和大小可通过公式(1)计算得出,确保边界框中心点约束在当前网格内,提高模型的稳定性和实时性｡式中:b'x､b'y分别为边界框中心的水平位置和垂直位置;b'W为起始宽度,b'H为起始高度;tx为横坐标偏移值,ty为纵坐标偏移值;Cx､Cy分别为网格的起始横坐标和起始纵坐标｡
(4)通过聚类分析得到的先验框与预测方法相结合,可优化水面垃圾的位置､大小和面积的计算,实现更精准的检测与路径规划｡
根据计算出的最佳拾取路线,系统会控制机械臂进行垃圾拾取｡该步骤需要确保机械臂能够准确抓取到目标垃圾｡
系统需要对拾取结果进行判断｡如果拾取成功,系统将对垃圾进行分类处理;如果拾取失败,系统会让机械臂复位并返回到拾取步骤,以重新尝试拾取｡
当所有任务完成后,系统会进入待机状态,过程结束,如图2所示｡
图2主流程
2.2垃圾识别流程
开始时,首先输入图像:利用OpenMV持续拍摄湖面数据,并将这些数据上传至神经网络进行处理｡使YOLOv2算法和CNN网络相结合,以实现对湖面图像的目标检测｡
初步判断是否为预设图像:捕捉到的图像将与预设图像进行比对｡如果图像匹配成功,系统会判断为垃圾,并执行下一步操作;否则,系统将丢弃该图像｡
判断是否为瓶状垃圾｡系统通过图像识别算法检测物体的形状,以判断是否为瓶状垃圾｡如果物体不是瓶状垃圾,系统会传输相应信息,并将该垃圾放置在右边的垃圾桶内;如果物体被判断为瓶状垃圾,系统会传输相应信息,并将该垃圾放置在左边的垃圾桶内｡这一步骤有助于对不同类型的垃圾进行分类处理｡
在完成垃圾分类处理后,系统会输出机械臂振动信号｡
当完成所有任务后,系统会进入待机状态,过程结束,如图3所示｡
图3运行流程
3、结语
本文设计了基于STM32单片机的面向景观水域的垃圾智能收集系统,该系统以STM32为主控制器,集成了五大部分:能源供给系统､显示系统､执行系统､无线远程控制系统以及传感系统｡系统测试结果表明,该系统运行稳定可靠,还能够有效节省能源,可广泛运用于水域清洁等领域｡
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基金资助:贵州师范学院大学生创新创业训练计划项目(2023142234160);贵州省教育厅自然科学研究项目(黔教技[2022]029号);
文章来源:卢彤彤,敖莹,崔忠伟,等.基于单片机的垃圾收集自动控制系统设计与实现[J].物联网技术,2025,15(06):139-141+144.
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期刊名称：机电工程技术
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主管单位：广东省广业科技集团有限公司
主办单位：广东省机械研究所,广东省机械技术情报站,广东省机械工程学会
出版地方：广东
专业分类：科技
国际刊号：1009-9492
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2025-03-23
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上传者：管理员
