綠色智能分類生活垃圾桶設計初探

周鵬程，馬超俊，朱勇輝

（南京信息工程大學濱江學院，江蘇 南京 210044）

引言

當前人們的物質生活相比于以前有了極大的豐富，與此同時生活垃圾也在與日俱增?！拔覈a生量以年均5%～8%的速度增長，1990—2010年，城市生活垃圾已從6 767萬t增長至15 805萬t”[1]。“城市中的生活垃圾的產生量、清運量不斷增加，給城市生活垃圾管理和處置帶來巨大壓力，城市垃圾管理已成為城市發(fā)展所面臨的重要環(huán)境問題”[2-3]，“根據2004年的數據，城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理僅有 52.13%”[4]。

“據統計，2017年環(huán)衛(wèi)市場公開招投標的環(huán)衛(wèi)項目年合同額達1 200億元”[5]?！?017年3月，發(fā)改委和住建部頒布的《生活垃圾分類制度實施方案》要求全國46個城市開展生活垃圾分類項目，并要求在2020年底回收利用率達到35%以上”[5]。因此，從居民日常生活角度出發(fā)探索一種綠色環(huán)保經濟高效的城市垃圾處理系統是亟需解決的課題。

1 我國城市生活垃圾處理的現狀及問題

目前，各地城市環(huán)保部門在城市生活垃圾分類處理方面還存在差異。如在北京，政府采用垃圾分為可回收垃圾、廚余垃圾、其他垃圾三大類進行回收處理；在杭州，分類方法就會比北京的三分法分更加詳細，將有害垃圾從其他垃圾中劃分出來單獨歸為一類。這樣的做法試圖引導居民進行垃圾分類。為此，政府、企業(yè)通過更新改進垃圾桶外觀、投放垃圾分類公益廣告等途徑宣傳生活垃圾分類的意義和重要性，還有志愿者走入小區(qū)內進行垃圾分類的宣傳監(jiān)督。雖然環(huán)保部門和相關企業(yè)積極通過設置分類投放的垃圾桶和垃圾分類進行宣傳，實際效果卻不理想。

目前我國的垃圾處理水平還處于較低級的狀態(tài)，現在的城市生活垃圾的處理流程為集中混合收集、集中運輸，集中處理。在城市垃圾處理各環(huán)節(jié)，居民生活垃圾處理不到位，且很少家庭會有意識地對產生的生活垃圾提前進行分類處理操作。拾荒人主要在垃圾桶中尋找容易回收的垃圾廢品，在實際翻找過程中，容易造成垃圾桶的損傷及其他垃圾散落，增加環(huán)衛(wèi)工人的負擔。最后作為垃圾桶清理維護的環(huán)衛(wèi)工人平均年齡較高，文化水平較低，無法進行較為復雜的操作，在大多數情況下只能進行簡單的垃圾運輸和清掃工作。

垃圾桶涉及城市垃圾的傾倒、分揀、處理各個環(huán)節(jié)，在城市生活垃圾處理中扮演著重要的紐帶作用。目前存在的各種問題也基本都由垃圾桶設計不合理或使用不當造成了生活垃圾混雜、滋生蚊蠅。

2 綠色智能分類生活垃圾桶設計方案

2.1 設計理念

本作品選用HT46F49E作為主控單片機，利用紅外傳感器、震動傳感器等模塊，主要實現以下功能。

1）綠色環(huán)保。該產品若長時間無人使用，單片機將自動關閉除紅外感應外的電路電源，單片機進入休眠，當再次有人接近，單片機則會被喚醒，將關閉電路重新通電進入正常工作狀態(tài)，從而大大減少能源的浪費。

2）干凈衛(wèi)生。智能垃圾桶突破了傳統帶蓋垃圾桶用手或腳開蓋的模式，紅外感應開、關的桶蓋減少了手與生活垃圾的接觸，降低了接觸細菌的機率。同時密封性更好，避免垃圾異味傳出，減少了垃圾桶對周圍空氣的污染、蚊蠅滋生的現象。

3）適用寬泛。本作品可設計成多種色彩、多種容量、多種材料和款式，滿足人們日益崇尚的個性化需求，廣泛使用于辦公、家用、公用、會議、醫(yī)療等場合。

2.2 外觀設計

外觀的設計尺寸、顏色可根據購買者進行私人訂制，通過內外雙層結構的設計增加其抗撞擊性和內部的穩(wěn)定性，并給智能傳感器系統預留空間，整體外觀設計方案圖如圖1所示。

圖1 作品設計整體方案

為避免垃圾處理不及時易滋生蚊蠅、影響美觀并對人體健康有著潛在威脅的問題，內部設計利用分布均勻的小孔，進行固液分離，并利用通過納米TiO2光催化氧化滅菌技術，在垃圾桶內部表面涂覆相應的納米TiO2涂層[6]，實現垃圾桶抑菌除臭、消除垃圾桶周邊蚊蠅的目的，儲水層利用絮凝劑聚合硫酸鐵對污水進行初步凈化，水經排水口定時排除或給有需求的人使用。

2.3 功能設計

該設計的功能是由電源模塊和通過一系列的傳感器進行實現的，其中傳感器系統由HT46F49E芯片控制模塊、信號檢測電路模塊和控制電路模塊三部分組成。電源模塊給HT46F49E單片機提供動力；HT46F49E芯片建立輸入輸出模型，實現與信號檢測電路模塊的串行通信功能，以及實現基本控制功能；信號檢測電路模塊中的信號檢測部分是由各插孔的檢測電路分別與各個電器相串聯組成，實現外部的熱釋紅外傳感器對外部紅外熱源的檢測；震動傳感器模塊實現對外部重量和形變的檢測；紅外光傳感器模塊在信號檢測電路模塊中進行紅外遙控發(fā)射與接收?？刂齐娐纺K主要是實現桶蓋的開啟與關閉。

當有人進入熱釋紅外傳感器的探測范圍，傳感器接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，產生中斷信號；震動傳感器是將垃圾桶的震動（被物體撞擊）或者重量變化轉變成電平信號，通過I/O口單片機可以查詢到此信號；有人靠近垃圾桶時通過查詢I/O信號，判斷是否打開垃圾桶蓋。其整體架構如圖2所示。

圖2 作品系統架構圖

2.4 系統設計

在開發(fā)設計過程中，采用了高運算速度、高性能、低功耗、高性能、靈活控制的輸入/輸出和低成本等特性的HT46F49E單片機作為核心控制模塊，信號檢測電路分為熱釋紅外傳感器、震動傳感器、紅外光傳感器以及電源動力部分三大模塊。

1）電源為產品提供動力外還需要解決電信號中的干擾問題。電源電路模塊設計由變壓器、橋式整流電路、集成器7085及部分電容所組成，并且在集成器7085的兩邊并接電容用以濾波。

2）熱釋紅外傳感器模塊。HN911型熱釋電紅外探頭模塊的內部電路框圖如圖3所示。人體發(fā)出的紅外線波長10μm左右，利用這種探頭波長為10μm左右的紅外輻射可以用來探測人體輻射，并對環(huán)境的干擾有明顯的控制。

圖3 HN911型熱釋電紅外探頭模塊外觀

3）震動傳感器。此模塊在使用中通過采用可以將應變片應變產生的電阻轉換為差分電壓的惠斯通電橋，將差動電橋、應變片、薄膜和厚膜應變片傳感器設計成震動傳感器，并將應變片貼在垃圾桶的內側面，利用全橋電路靈敏度高的特點測量垃圾桶震動幅度，并轉換成電壓接入單片機進行分析和相應的應對。

4）紅外光傳感器。PT2262/2272是由一對帶地址、數據編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片組成。PT2262-IR 發(fā)射芯片地址編碼輸入有“1”、“0”和“開路”三種狀態(tài)，數據輸入有“1”和“0”兩種狀態(tài)。

PT2272各輸出端通過各種接口即可控制相應的負載。其中發(fā)射芯片PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集于一身，簡化了發(fā)射電路。

5）控制電路模塊。控制電路模塊主要實現桶蓋的打開與關閉，實現方式主要通過采用電磁鐵來控制。當電磁鐵通電后，產生電磁吸力，借助杠桿原理使桶蓋打開；斷電后，電磁吸力消失，桶蓋由于重力作用關閉。

3 結語

充分處理生活垃圾不僅僅能夠減少因生活垃圾對城市環(huán)境的污染，減輕城市垃圾回收站的負荷，而且能帶動當地一系列行業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造財富價值。利用綠色智能分類生活垃圾桶進行分類處理，是一種新型的垃圾處理方式，以提高人們垃圾分類的意識，同時提高城市居民的生活舒適度。