一種風(fēng)光互補智能垃圾分類箱的設(shè)計

石騰 卿曉梅 盧衛(wèi)萍 戴成軍 王剛

摘 要：為了使垃圾分類更加便捷、高效和節(jié)能，本文設(shè)計了一種風(fēng)光互補智能垃圾分類箱，并通過分析控制流程來驗證其可行性與實用性。它主要包括風(fēng)光互補供電系統(tǒng)、機(jī)械運動系統(tǒng)、智能識別分類系統(tǒng)和運輸自卸系統(tǒng)四大部分，既節(jié)能又環(huán)保，可以提高垃圾分類效果，改善人們的生活環(huán)境。

關(guān)鍵詞：智能垃圾分類箱;風(fēng)光互補供能;智能識別分類

Abstract： In order to make waste sorting more convenient， efficient and energy-saving， this paper designed a wind-solar complementary intelligent waste sorting box， and analyzed the control process to verify its feasibility and practicability. It mainly includes four major parts， namely wind-solar complementary power supply system， mechanical motion system， intelligent identification classification system and transportation self-unloading system， which is both energy-saving and environmentally friendly， can improve the effect of garbage classification， and improve people's living environment.

Keywords： intelligent waste sorting box;wind-solar complementary energy supply;intelligent identification and classification

2019年6月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在《關(guān)于在全國地級及以上城市全面開展生活垃圾分類工作的通知》（建城〔2019〕56號）中提出全面啟動生活垃圾分類工作[1]。在國家加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和人民對高質(zhì)量生活環(huán)境需求日益增強(qiáng)的背景下，垃圾分類產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化非常必要。為實現(xiàn)其高效、節(jié)能和智能化，本文設(shè)計了一種風(fēng)光互補智能垃圾分類箱（以下簡稱智能垃圾分類箱），彌補了傳統(tǒng)垃圾箱利用率較低、結(jié)構(gòu)功能單一、垃圾分類處理步驟復(fù)雜等缺點，是一款集風(fēng)光互補供電、機(jī)械運動、智能識別分類和運輸自卸為一體的多功能自動化垃圾分類設(shè)備，在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域有較好的應(yīng)用價值。

1 總體設(shè)計方案

智能垃圾分類箱的總體設(shè)計方案如圖1所示，主要包括主體結(jié)構(gòu)、風(fēng)光互補供電系統(tǒng)、機(jī)械運動系統(tǒng)、智能識別分類系統(tǒng)和運輸自卸系統(tǒng)五個模塊。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 智能垃圾分類箱主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

智能垃圾分類箱頂部安裝太陽能電池板和小型風(fēng)力發(fā)電裝置，并安裝一個鋰電池用于儲存兩者所產(chǎn)生的電能，如圖2（a）所示。

太陽能電池板下面配置了一個裝有紅外傳感器的可收縮箱蓋，當(dāng)人體距離垃圾箱15～25 cm時，箱蓋會自動打開，待垃圾扔進(jìn)垃圾箱內(nèi)并且檢測不到人手靠近之后，箱蓋自動關(guān)閉，隨后垃圾進(jìn)入智能分類程序。

機(jī)械轉(zhuǎn)盤裝置由L形刀、圓錐形支撐架、圓柱形垃圾收納轉(zhuǎn)盤和壓縮裝置組成，液壓舉升裝置位于機(jī)械轉(zhuǎn)盤裝置的底部，機(jī)械轉(zhuǎn)盤裝置側(cè)視圖如圖2（b）所示。

粉碎裝置位于機(jī)械轉(zhuǎn)盤裝置下面，由排列整齊的螺旋形粉碎部件構(gòu)成，其下面配有一個倒立的等腰梯形狀收集裝置，其中一側(cè)設(shè)有沿內(nèi)壁的廢液收集水渠;智能垃圾分類箱的足部設(shè)計了兩個“綠化帶”，用于吸收粉碎裝置處理的肥料。

通過對智能垃圾分類箱內(nèi)部矩形收納裝置、機(jī)械轉(zhuǎn)盤裝置、粉碎裝置和傳統(tǒng)垃圾箱尺寸的分析，將智能垃圾分類箱尺寸設(shè)計為0.8 m×0.8 m×1.5 m。

2.2 風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的設(shè)計

智能垃圾分類箱所需的電能采用風(fēng)光互補供電技術(shù)來提供，其中電力應(yīng)用主要包括智能識別分類系統(tǒng)、粉碎裝置和移動裝置等，其電量消耗計算如表1所示。

2.2.1 光伏供電模塊。選用50 W的單晶硅太陽能電池板兩塊，將其安裝于箱蓋上方20 cm高度處，由支撐軸支撐，通過太陽能電池板對光角度的調(diào)節(jié)使其充分吸收光照。以南通市為例，按照月平均輻照和安裝傾角進(jìn)行光伏供電量計算。如圖3所示，[β]為太陽能電池板所在平面與水平地面之間的夾角，[α]為太陽光線與其在水平地面上的投影之間的夾角，可根據(jù)南通地理位置選用最佳安裝傾角31°，朝向正南，通過計算，得出其年發(fā)電量約為1 305 kW·h，故平均每天的發(fā)電量約為3.57 kW·h。

2.2.2 風(fēng)力供電模塊。選用型號名稱為fy-100的小型風(fēng)力發(fā)電裝置[2]，將其安裝在太陽能電池板上方（支撐軸頂部），其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

以南通市為例，進(jìn)行風(fēng)力供電模塊的發(fā)電量計算，若平均風(fēng)速[V=3.3 m/s]，一天內(nèi)的有效風(fēng)速時間[T=15 h]，根據(jù)式（1）計算可得，選用型號fy-100的小型風(fēng)力發(fā)電裝置日均發(fā)電量約為0.054 kW·h。

通過以上計算可得，風(fēng)光互補供電系統(tǒng)每天的發(fā)電量為3.624 kW·h，大于2 kW·h，因此滿足智能垃圾分類箱運轉(zhuǎn)所需的電能。

2.2.3 蓄電池。選用型號為12 V/200 AH的鋰電池，其密封性良好，使用壽命長，電壓相對穩(wěn)定，用于儲存太陽能電池板和小型風(fēng)力發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能。

2.3 機(jī)械運動系統(tǒng)的設(shè)計

鼓風(fēng)機(jī)安裝在箱體最右側(cè)，如圖4（a）所示。在垃圾從投放口落入矩形收納裝置的過程中，鼓風(fēng)機(jī)工作，使得紙張、枝葉等輕小物體被分離出來。旋轉(zhuǎn)門安裝在矩形收納裝置中依次排列，通過其旋轉(zhuǎn)依次將垃圾分離出來，并且在矩形收納裝置的角落設(shè)置一個直徑0.2 m的圓形落口，使得垃圾落入機(jī)械轉(zhuǎn)盤裝置。

矩形收納裝置底部為一個圓錐形支撐架，并在其上方焊接一個L形刀，對從圓形落口落下的垃圾進(jìn)行“拉攏”處理，當(dāng)圓柱形垃圾收納轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)到圓形落口下方時，L形刀迅速分叉使得垃圾落入收納轉(zhuǎn)盤內(nèi)，如圖4（b）所示。與圓錐形支撐架緊密連接的是圓柱形垃圾收納轉(zhuǎn)盤，高度為0.5 m，并且底部有小孔，以便廢液流淌，直徑根據(jù)子桶數(shù)目選擇，子桶數(shù)目根據(jù)其所放置的區(qū)域調(diào)整。圓錐形支撐架裝置底面圓內(nèi)含有可伸縮的壓縮桿件，通過光感效應(yīng)檢測技術(shù)可判斷垃圾箱體內(nèi)所?？臻g大小，當(dāng)圓柱形垃圾收納轉(zhuǎn)盤所容納垃圾較多時，壓縮裝置由上而下進(jìn)行壓縮，減少垃圾占據(jù)的空間，從而提高箱體的利用率。粉碎裝置位于機(jī)械轉(zhuǎn)盤裝置底下，采用排列整齊的螺旋形粉碎部件，其下面是一個倒立的等腰梯形狀的粉碎物收集裝置，并且其中的一側(cè)設(shè)有沿著內(nèi)壁的廢液收集水渠。粉碎裝置會對識別后的廚余垃圾、果皮、枝葉等進(jìn)行粉碎處理，并將處理好的粉碎物放置在粉碎物收集裝置中，殘留的廢液通過轉(zhuǎn)盤底部的小孔流進(jìn)垃圾箱一側(cè)的廢液收集水渠，粉碎物可用來對垃圾箱足部的兩個“綠化帶”進(jìn)行施肥，達(dá)到美化環(huán)境和凈化垃圾箱周圍空氣的目的。

2.4 智能識別分類系統(tǒng)的設(shè)計

智能垃圾分類箱充分利用傳感器的特性進(jìn)行智能識別分類系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)不同垃圾的材質(zhì)特性（金屬性、透明度和電導(dǎo)率等）選擇多個傳感器組成識別系統(tǒng)。傳感器組成框圖如圖5所示。

2.4.1 識別原理。位于箱體一側(cè)的條形碼掃描器對帶有包裝的飲料瓶、包裝袋等進(jìn)行種類識別;金屬探測器運用電磁感應(yīng)的原理以區(qū)分金屬和非金屬材質(zhì)的垃圾;選用紅外對射式傳感器（型號E3F-5DN1），用以區(qū)分非金屬垃圾中的透明和非透明垃圾;透明垃圾以玻璃和塑料為主，且玻璃與塑料的電導(dǎo)率特性不同，因此運用電容式傳感器來區(qū)分透明垃圾中的玻璃和塑料;不同材質(zhì)的物體敲擊同一物體時所產(chǎn)生的聲音頻率信號不同，并且不同種類垃圾的外形不同，可將聲音傳感器（型號MCA-BTA）與X光速射線管掃描相結(jié)合來提高垃圾種類識別精度[3]。

2.4.2 識別過程。垃圾從投放口落入矩形收納裝置，位于箱體一側(cè)的條形碼掃描器對帶有包裝的垃圾進(jìn)行種類識別，被識別出來的垃圾由旋轉(zhuǎn)門進(jìn)入圓形落口。同時，位于箱體最右側(cè)的鼓風(fēng)機(jī)開始運轉(zhuǎn)，紙張、枝葉等輕小物體被分離出來掉落到L形刀上，然后L形刀分叉使分類好的垃圾落進(jìn)圓柱形垃圾收納轉(zhuǎn)盤中。接著，第一級旋轉(zhuǎn)門依次分離出垃圾，當(dāng)位于旋轉(zhuǎn)門橫向“手臂”上的金屬探測器有感應(yīng)時，直接將其旋轉(zhuǎn)進(jìn)入垃圾收納桶，以此來區(qū)分金屬和非金屬垃圾;第二級旋轉(zhuǎn)門橫向“手臂”上安裝有紅外對射式傳感器和電容式傳感器，對剩余的非金屬垃圾進(jìn)行透明垃圾與非透明垃圾的識別，其利用塑料和玻璃電導(dǎo)率不同的特性，運用電容式傳感器對玻璃和塑料進(jìn)行區(qū)分，區(qū)分開來的垃圾經(jīng)過第三級旋轉(zhuǎn)門進(jìn)入圓形落口。其他種類的垃圾則被第三級旋轉(zhuǎn)門分離和識別，利用不同材質(zhì)的物體敲擊同一物體所產(chǎn)生的聲音頻率不同，當(dāng)垃圾與旋轉(zhuǎn)門的“手臂”碰撞接觸時，其軸向底部安裝的聲音傳感器吸收到聲音信號，并且借助位于箱體最左側(cè)的X光速射線管，掃描旋轉(zhuǎn)門分離出不同的垃圾，同時測距傳感器對分離出的垃圾進(jìn)行尺寸測量，將掃描圖像、聲音信號和垃圾尺寸等信息傳輸?shù)胶笈_計算機(jī)管理系統(tǒng)，它會根據(jù)已儲備的數(shù)據(jù)來判斷垃圾種類，然后與X光速射線管的掃描圖像進(jìn)行匹配驗證，若匹配一致，則對應(yīng)種類的子桶旋轉(zhuǎn)到L形刀下方，實現(xiàn)分類收納，反之，則將其歸為其他垃圾，傾卸時采集其性質(zhì)參數(shù)，不斷更新后臺數(shù)據(jù)庫。

2.5 運輸自卸系統(tǒng)的設(shè)計

智能垃圾分類箱將GPS定位技術(shù)、遙控技術(shù)、履帶移動裝置和液壓舉升裝置相結(jié)合，實現(xiàn)運輸自卸功能。如圖6所示，智能垃圾分類箱的底部安裝有履帶移動裝置和遙控信號接收設(shè)備。當(dāng)有垃圾回收車經(jīng)過進(jìn)行垃圾箱清理時，智能垃圾分類箱底部安裝的遙控信號接收設(shè)備接收工作人員發(fā)出的指令信號，按照GPS定位技術(shù)規(guī)劃的短距離路線通過底部履帶移動裝置移動靠近垃圾回收車。打開一側(cè)垃圾箱門，通過轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)出機(jī)械轉(zhuǎn)盤裝置，利用圓柱形垃圾收納轉(zhuǎn)盤底部的液壓舉升裝置將其抬高，頂部的壓縮裝置開始延伸，兩者組合使垃圾收納轉(zhuǎn)盤開始傾斜，完成運輸自卸任務(wù);通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)垃圾收集、分類、回收、處理一體化運行，可根據(jù)卸除垃圾的頻率等信息產(chǎn)生有價值的大數(shù)據(jù)，方便城市管理和資源合理利用[4]。

3 智能垃圾分類箱的控制流程

在設(shè)計智能垃圾分類箱主體結(jié)構(gòu)、風(fēng)光互補供電系統(tǒng)、機(jī)械運動系統(tǒng)、智能識別分類系統(tǒng)和運輸自卸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計和分析了風(fēng)光互補智能圾分類箱的運轉(zhuǎn)控制流程，如圖7所示。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的風(fēng)光互補智能垃圾分類箱既節(jié)能又環(huán)保，集垃圾分類、垃圾處理、機(jī)械運輸和垃圾自卸四大功能于一體，可以提高垃圾分類工作的實效，改善人們的生活環(huán)境，在居民小區(qū)、街道等戶外公共場所有廣泛的應(yīng)用前景。

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