基于Arduino开发板的校园资源智能回收与分类系统

孙宇峰

（浙江省杭州市高级中学，浙江杭州，310021）

0 引言

当前国内经济迅速发展使得国人的消费能力有了大大的提高，因此产生了越来越多的废弃物品，造成了比较严重的资源浪费。尤其在中学和大学校园中，随着学生思想的独立和消费的欲望的增强，这种现象显得尤为明显。而在校园这个相对封闭的环境里，如果废弃塑料瓶、电池和图书等物品得不到回收，还会一定程度地影响学生的正常生活，浪费空间资源。为了贯彻国家可持续发展的理念，从学生时代就培养节能环保和资源再利用意识，营造科技环保的校园氛围，本系统有极大的研发前景和社会意义。

根据2018 年商务部《中国再生资源回收行业发展报告（2018）》显示[1]，2017 年全年我国废塑料、废纸、废电池的再生资源回收总量分别为1693 万吨、5285 万吨和17.6 万吨（详见表1），国家高度重视再生资源行业的发展，也在积极推行新型回收模式。而在校园中，学生生活中的日常饮品需求产生了大量的废弃饮料瓶；各种电子产品的需求导致产生了大量废旧电池；随着年级的提高，使用过的教材和图书也逐渐被淘汰。校园中产生的大量废弃饮料瓶、普通干电池和图书教材等资源，饮料瓶价值不高但可实现再利用，废弃电池虽小但会造成环境污染，图书教材虽然普遍但具有重复利用价值。校园内虽设立了分类投放的垃圾桶，但大多数学生仍会将饮料瓶、电池、图书等随意丢弃，无法实现有效的分类回收和再利用。这些校园中存在的饮料瓶、电池、图书等资源目前缺少合理的回收途径和分类方法，仍旧以传统的人工回收为主进行着比较低效的资源回收再利用。

表1 2016-2017年我国个别再生资源回收利用情况

为了解决存在回收物品无法分类、回收物品不清洁和回收物品清理不及时等问题，本文设计了一套基于Arduino开发板的资源智能回收与分类系统，系统主要包括物品分类识别模块，物品灰尘检测模块和回收箱饱满度检测模块，利用条形码识别传感器、红外灰尘传感器、超声波传感器等器件，通过WiFi 无线通信模块智能互联，可实现分类回收物品、清洁回收物品和及时清理回收物品等功能。此外，本智能回收装置还配有触摸显示屏，可以及时显示箱内物品回收状况和回收奖励信息查询。在此基础上创建的学分激励和资金奖励政策，也极大地鼓励学生进行资源分类处理。

1 系统硬件设计

结合上述问题，本文基于Arduino 开发板的校园资源智能回收与分类系统的总体设计方案如图1 所示。主要包括Arduino 主控模块，WiFi 通信模块，分类模块，清洁模块，清理模块和LCD 显示模块。其中Arduino 主控模块可通过WiFi 通信模块与分类检测模块、清理控制模块、清洁模块实现的终端传感器实现指令互传完成相应功能，并实时显示在LCD 模块，达到人机交互的目的。

图1 基于Arduino 开发板的校园资源智能回收与分类系统总体设计方案

1.1 主控模块：Arduino 开发板

本系统的主控模块为Arduino 开发板，如图2 所示。Arduino 开发板是一款开源电子原型平台，主要特点是操作简单，尤其适合刚接触电子设计的初学者。主要包括硬件部分的Arduino 电路板（用来做电路连接）和软件部分的Arduino IDE（具有使用类似Java、C 语言的编程开发环境）。开发过程中，在IDE 开发环境中编写代码，再将其烧录到程序板中后，就可以控制电路板完成相应操作。除此之外，它还具有开源免费的特点，大大缩短了初学者的软件系统学习和硬件系统设计周期。在本系统中Arduino 开发板借助WiFi 无线模块与其余各模块终端传感器进行指令互传，完成模块控制与信息反馈。

图2 Arduino 主板

1.2 Wi-Fi 通信模块

Wi-Fi（wireless fidelity）技术是一种基于IEEE 802.11 标准创建的无线通信技术[2]。它可以让电子设备通过无线电波在覆盖的有效范围内以无线保真的方式连接到WLAN（无线局域网），最常见的就是无线路由器。WiFi通信的一大特点就是传输速度极快，可高达百兆比特每秒（1Mbps=131072 字节/秒=0.125MB/S）。对于本系统采用WiFi 通信还有以下几个因素：（1）发射信号功率低于100mw，比手机发射功率低，利于保护校园内学生的健康；（2）射频信号强，覆盖范围广，保证校园内的覆盖；（3）WiFi 功耗低，利于节约电力，降低使用成本；（4）安全性较高，不易被侵入。在本系统中，主控系统通过发出信号给WiFi 模块，再由WiFi 模块发出信号给传感器或互联网，从而实现系统控制和发出信息。

1.3 分类模块：CCD 条码识别传感器

分类模块通过CCD 条码识别传感器来识别物品上的条形码，再将数据上传至数据库进行比对后完成识别。与此同时，传感器发出信号给主控模块，由主控模块打开相应物品的箱门，将物品放入，实现分类，很大程度地节省了使用方及回收方的时间，提高了分类效率。

本模块条形码识别传感器采用的是LV6CCD 条码识别传感器。它由高感光度的半导体制成光敏单元、输入结构和输出结构。CCD 在工作时，在一定时间内利用光敏原件对光信号进行取样，将光的强弱转化为光敏单元内电荷的多少,然后在取样结束后将电荷由转移栅转到移位存储器的相应单元，再将其传至输出端接着信号处理器中，便可再现信号。此外，LV6 型的CCD 还拥有零上50 至零下20 度的耐温能力，完全适用于校园室外环境下的使用。

图3 LV6CCD 条码识别传感器

1.4 清洁模块：灰尘传感器

清洁模块利用灰尘传感器可检测回收书本上的灰尘，再将信号由WIFI 无线通信模块传至主控模块，主控模块在该信号与标准值进行比较后发出信号打开气体喷射装置和紫外灯对书本进行清洁处理，从而改善图书的回收清洁度。

本模块利用灰尘传感器来进行灰尘检测。由于光的性质，当微粒和分子在光的照射下会发生散射现象并同时吸收部分光的能量。当一束光入射到被测颗粒场时，由于被颗粒散射并被周围吸收能量，这样便可得到入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减率又反映了线性反应待测场灰尘的相对浓度，光强的大小和经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率。之后发出信号给主控模块，实现相应功能。

1.5 清理模块：超声波传感器

清理模块利用超声波传感器可检测箱内饱满度，再将测得信号传至主控模块，主控模块进行信号比对工作，若达到了设定值，则锁定箱盖并发出信号给通信模块，由通信模块发出信号给最近的回收站，提醒相应人员来进行处理，提高回收效率。

本模块的功能是依靠超声波传感器来实现的。超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。传感器发出的频率高于20kHz 的机械波，由于频率高、波长短，不易发生衍射，使声波能够有良好方向性。波在碰到箱内物体后被反射会传感器，通过传递信号给主控模块来计算出箱内物品据箱盖的距离，再进行对比，从而实现相应功能。

图4 超声波传感器

1.6 显示模块：LCD 显示屏

本系统中LCD 显示屏承担显示任务。在正常工作时，显示屏主要实时显示箱体内的饱满程度和工作状态，能及时让使用者了解箱内回收信息。当有人刷卡后，显示屏会立刻跳转至卡主个人信息页面，显示积分情况和回收次数等个人数据，让卡主能了解自己的使用情况。

2 系统软件设计

本系统软件设计在Arduino IDE 开发环境中使用C 语言的代码进行编程，可分为三大功能模块—条码分类模块、图书清洁模块、物品清理模块。Arduino 主控板借助主程序对各个模块的子程序的调用来实现传感器电信号的采集，再将信号传回主控板与子程序设定值进行比对，从而根据不同对比结果执行相应命令，实现相应功能，并在显示屏上完成实时显示功能。图5 为本系统软件工作流程图。

图5 系统软件工作流程图

2.1 条码分类子程序设计

本子程序是利用CCD 条码识别传感器实现条码识别。首先通过主程序实现Arduino 初始化，通过子程序实现图像传感器和显示屏的初始化。当有物品投入时，开始校验条形码，图像传感器对条形码进行扫描，根据条码宽度不同，相应产生的不同电信号，经过模数转换和整形后，根据码值可将条形符号换成相应的字符信息并传回主控模块。Arduino 读取不同信号后，得到条形码的结果与数据库进行对比，将对比结果传送给显示屏，完成物品种类的判断，实现条码分类的功能。若是图书或饮料瓶，则打开舱门；若不是，则重新返回条码识别界面。

2.2 图书清洁子程序设计

本子程序是利用灰尘传感器实现图书清洁程度判断并完成物品清洁。首先通过主程序实现Arduino 初始化，通过子程序实现灰尘传感器的初始化。当有图书投入后，在光的照射下，书本上的灰尘微粒会发生散射现象，同时吸取光的一部分能量，因而光强会有一定程度的衰减，经光电转换后光强的大小和的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率。而浓度场的相对衰减率大小则能反应待测场灰尘的相对浓度。之后，再将相应浓度值传回Arduino主控板，将其与灰尘清洁阈值C 进行比较。如果大于阈值C，则打开喷射气孔对图书进行清洁；如果小于阈值C，则判断为整洁图书。

2.3 物品清理子程序设计

本子程序是利用超声波传感器实现回收箱饱满度的检测并提醒物品清理。首先通过主程序实现Arduino 初始化，通过子程序实现超声波传感器的初始化。超声波传感器是自身主动发送脉冲式超声波信号，通过对声波返回的时间进行记录和判断，来确定被测物（饮料瓶或图书）距离检测器的距离。当回收箱正常工作时，通过子程序设计每隔固定的时间（10s）对箱内物品进行测距，传感器将声波信号转化为电信号传回主控板，子程序内通过电瓶信号时间与距离公式即可完成距离的判断，得出距离值并与阈值D 比较。如果大于距离阈值D，则回收箱继续正常工作；如果小于阈值D，则代表箱体较满，向管理者发出清理信号，并在显示屏上显示回收箱已满信息。

3 功能创新点

（1）本系统为校园资源智能回收与分类箱，可通过条码识别技术对学生常用的饮料瓶、图书、电池等可回收再利用资源，实现智能分类和回收，节能减排，科技环保；

（2）本系统在智能回收与分类基础上，在投入物品箱内后，可实现图书清洁度判断进行图书清洁，实现箱体饱满度检测进行回收提醒，以及实现显示屏的人机交互功能，不仅便于回收管理者的智能管理，更有助于学生的良好用户体验；

（3）本系统可设置校园学分或线上资金奖励机制，与学生教学系统和校园一卡通实现互通：例如投入100 个饮料瓶或10 本二手图书或10 节废弃电池可以修满环保学分1分，额外投入饮料瓶可奖励0.1 元/个、投入图书可奖励1-10元/本、投入电池可奖励1 元/节，奖励资金可直接充入学生的校园一卡通账户，在鼓励学生参与环保事业的同时，培养学生的资源回收与分类意识。

4 结语

本文从校园资源的回收与分类现状出发，设计了一套基于Arduino 开发板的资源智能回收与分类系统，将图像传感器应用于物品条码识别的分类模块、红外灰尘传感器应用于物品灰尘检测的清洁模块、超声波传感器应用于回收箱饱满度检测的清理模块，通过WiFi 无线模块通信互联，可实现分类、清洁和清理回收物品等功能，极大地改善了校园资源的回收和分类的智能化。在此基础上，将该系统引入于校园学分和资金奖励机制，提高了学生参与资源回收的参与度，培养了学生资源回收与分类意识，在校园和社会中都具有极大的可普及性。

当然，本系统在设计时，由于作者知识的限制，还存在一些不足。例如，LCD 显示模块中还可设计更智能的交互功能，方便学生查看自己的学分与奖励信息；识别模块上，可采用精确度更高、识别范围更广的图像识别法；箱体设计上，还可以设计更完善的箱体结构，实现箱体内部结构的充分使用和智能保护。以上这些方面计划在后续学习中皆会有相应改进。

在科技日益进步的今天，作为一名中学生，学习应用各类传感器和计算机知识来设计智能创新系统是十分有必要的，本着学以致用的目的，我将致力于用科技提升校园、改善生活！