一種基于太陽(yáng)能供電的智能高效生活垃圾分類(lèi)裝置

郭韜文 謝汶沛

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400074）

1 研制背景及意義

據(jù)有關(guān)資料顯示：近10 年，我國(guó)城市垃圾平均每年以8.98%的速度增長(zhǎng)。我國(guó)歷年堆存的垃圾已達(dá)60 億噸，侵占了約5 億多平方米的土地。每年，我國(guó)生活垃圾產(chǎn)生量在4 億噸以上。中國(guó)的垃圾產(chǎn)生大多來(lái)自于快遞與外賣(mài)包裝[1]而在如今的社會(huì)中人們還暫未形成一種自覺(jué)的對(duì)于生活垃圾進(jìn)行分類(lèi)的意識(shí)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，快遞包裝垃圾人均每年20 千克。生活垃圾的集中處理不僅占用大量的土地資源，還對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中同樣顯示出垃圾的正確回收利用與中國(guó)各省市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著直接的關(guān)系，諸如上海、深圳等經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的沿海城市垃圾的分類(lèi)治理程度較好，治理機(jī)制也較為完善；但對(duì)于一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為緩慢的地區(qū)，因?yàn)閷?duì)于垃圾分類(lèi)的不規(guī)范而導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染以及人力物力資源的浪費(fèi)[2]。為切實(shí)的保護(hù)自然環(huán)境以及節(jié)約社會(huì)資源而設(shè)計(jì)了生活垃圾智能分類(lèi)裝置。

垃圾分類(lèi)一般是指按一定規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)將垃圾分類(lèi)儲(chǔ)存、投放和搬運(yùn)，從而轉(zhuǎn)變成公共資源的一系列活動(dòng)的總稱(chēng)。目前，城市生活垃圾的品類(lèi)繁多且產(chǎn)生量呈逐年上升趨勢(shì)，處置生活垃圾的任務(wù)繁重；現(xiàn)在仍是采用衛(wèi)生填埋、焚燒等傳統(tǒng)的生活垃圾處置方式，處理大量成分混雜的生活垃圾，極易造成生態(tài)環(huán)境的過(guò)度污染。但是，如果對(duì)生活垃圾進(jìn)行分類(lèi)處理，就可以簡(jiǎn)化處理的過(guò)程，同時(shí)使生活垃圾中能夠循環(huán)利用的資源得到循環(huán)利用，節(jié)約資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境?？v觀國(guó)內(nèi)外關(guān)于智能分類(lèi)垃圾桶的設(shè)計(jì)與研究，雖然對(duì)于城市垃圾分類(lèi)有著一定程度的幫助，但是更多的設(shè)計(jì)都僅僅的停留在電控系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)亦或者是對(duì)于一些現(xiàn)有垃圾桶的改進(jìn)，而在改進(jìn)的垃圾桶中又大多圍繞著一些固定類(lèi)型的垃圾進(jìn)行分類(lèi)包裝，例如塑料包裝垃圾。[3]然而單一的垃圾分類(lèi)卻不能夠解決一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速，但自然資源整合與利用能力又相對(duì)薄弱的城市所帶來(lái)的“垃圾種類(lèi)多，垃圾數(shù)量多”的基本問(wèn)題。

針對(duì)以上所提出的問(wèn)題，我們首先對(duì)于外型尺寸進(jìn)行了改善，將原來(lái)龐大的垃圾分類(lèi)裝置轉(zhuǎn)變成為了只用路邊普通垃圾桶大小的分類(lèi)裝置；其次是針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外單一分類(lèi)包裝的改進(jìn)，在本款智能垃圾桶中能對(duì)于四類(lèi)生活垃圾進(jìn)行智能的識(shí)別與分類(lèi)，這樣實(shí)現(xiàn)資源的最大再利用率；然后設(shè)計(jì)小組通過(guò)現(xiàn)有資料顯示出的城市人口結(jié)構(gòu)分布數(shù)據(jù)[4]以及“節(jié)能減排”的基本原則改良了智能垃圾桶的供能系統(tǒng)——新型的智能分類(lèi)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板，一方面降低了因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換而排放的溫室氣體達(dá)到了“減排”的目的，另一方面通過(guò)太陽(yáng)能高效的轉(zhuǎn)化為電能極大的降低了能源成本而達(dá)到“節(jié)能”的目的。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

在設(shè)計(jì)智能垃圾分類(lèi)裝置時(shí)主要針對(duì)以下幾個(gè)方面考慮：

針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：本裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由漏料裝置及旋轉(zhuǎn)接料裝置兩部分組成。漏料裝置由兩個(gè)電動(dòng)推桿推動(dòng)六片扇葉控制開(kāi)合。旋轉(zhuǎn)接料裝置由旋轉(zhuǎn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)實(shí)現(xiàn)各垃圾桶旋轉(zhuǎn)。四個(gè)垃圾桶及亞克力底板被固定在M3 凸臺(tái)齒輪上，凸臺(tái)齒輪作為從動(dòng)輪與直齒輪相嚙合。本裝置部分結(jié)構(gòu)由亞克力材料制成，在保證強(qiáng)度和韌性的同時(shí)減輕重量，以達(dá)到便攜的目的。

針對(duì)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：在電路設(shè)計(jì)中主要存在的問(wèn)題一方面是實(shí)現(xiàn)功能的程序編輯，另一方面是電路元器零件的適配以及電路鋪設(shè)的問(wèn)題。為了滿足“節(jié)能減排”的基本原則，裝置的電路元件以滿足機(jī)械運(yùn)動(dòng)為主要標(biāo)準(zhǔn)，以防止元器件過(guò)載以及電力的浪費(fèi)問(wèn)題的發(fā)生。在電路的鋪設(shè)中小組遵循美觀實(shí)用的原則，將電路器件鋪設(shè)在裝置內(nèi)部，電器元件也選擇體積相對(duì)較小的，以防止空間上的浪費(fèi)。

針對(duì)裝置供能系統(tǒng)的考慮：對(duì)于科技社會(huì)發(fā)展與出于對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)而言，“節(jié)能減排”一定是重中之重；對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械傳動(dòng)而言，足夠的電力能源保障是實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的首要條件。為了調(diào)和這兩方面的矛盾，小組提出了一下幾個(gè)供能設(shè)備的選擇：內(nèi)置小型柴油發(fā)電機(jī)，48V 鉛蓄電池，12V2200毫安航模電池以及太陽(yáng)能電池板。最后經(jīng)過(guò)討論研究選擇了太陽(yáng)能電池板。

針對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)制造時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)的最大問(wèn)題為：機(jī)械零件雖然購(gòu)買(mǎi)方便，但是質(zhì)量普遍較大的問(wèn)題。并且隨著對(duì)于功能要求以及運(yùn)動(dòng)精度的不斷提高，機(jī)械配合也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，這會(huì)導(dǎo)致垃圾桶的質(zhì)量不斷增大，從而使這款裝置的普及率大大降低。于是決定將機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)拆分為“主運(yùn)動(dòng)”與“副運(yùn)動(dòng)”兩個(gè)板塊，主運(yùn)動(dòng)的零件統(tǒng)一采用剛度較好的鋁合金材質(zhì)，而副運(yùn)動(dòng)所需要的零件采用5mm 厚的亞克力板通過(guò)激光切割獲得，一些特殊的零件例如傳動(dòng)齒輪就通過(guò)設(shè)計(jì)非標(biāo)齒輪之后再加工獲得。這樣從最大程度上減輕的裝置的質(zhì)量，同樣也避免了一些不必要的材料浪費(fèi)。

針對(duì)外型外觀的設(shè)計(jì)：外型的設(shè)計(jì)同樣延續(xù)普通垃圾桶的外觀模型，采用鋁合金框架與透明亞克力板作為組裝外殼與垃圾桶的主要材料，一方面控制了裝置的總體質(zhì)量向人們展示了垃圾桶中具體的垃圾，同樣也便于控制裝置的體積，以達(dá)到便捷節(jié)能的效果。

2.2 基本結(jié)構(gòu)以及工作原理

為實(shí)現(xiàn)垃圾桶對(duì)于四類(lèi)垃圾的分類(lèi)投放，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為垃圾識(shí)別與垃圾分類(lèi)、滿載警告三個(gè)方面同時(shí)結(jié)合電控系統(tǒng)以及能源供應(yīng)系統(tǒng)輔助。

2.2.1 整體設(shè)計(jì)方面

如圖1 整體圖所示智能分類(lèi)垃圾桶從上至下分別安裝垃圾識(shí)別系統(tǒng)、接料圓盤(pán)裝置、四類(lèi)垃圾桶、接料轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)。其中垃圾識(shí)別系統(tǒng)由分為接料圓筒（接料圓筒為上圓下方，上方矩形為200×200mm，下方圓形為直徑200mm）同時(shí)在圓筒側(cè)面拆開(kāi)留出識(shí)別攝像頭的位置。經(jīng)過(guò)模擬測(cè)試，識(shí)別攝像頭固定在水平向下45°時(shí)識(shí)別效果最佳。在接料圓盤(pán)中每片扇葉中都可以連接電動(dòng)推桿，在識(shí)別完垃圾種類(lèi)之后由電動(dòng)推桿控制扇葉的開(kāi)合，同時(shí)下方的轉(zhuǎn)盤(pán)由舵機(jī)控制使對(duì)應(yīng)的垃圾桶旋轉(zhuǎn)到接料圓盤(pán)口，最終實(shí)現(xiàn)垃圾的正確分類(lèi)。

圖1 智能垃圾分類(lèi)裝置整體示意圖

2.2.2 垃圾識(shí)別系統(tǒng)

如圖2、圖3 當(dāng)垃圾從投放口投入后，進(jìn)入由推桿配合控制的漏料裝置中，漏料底盤(pán)由六張扇葉組成，同時(shí)由兩根電動(dòng)推桿控制開(kāi)合。在漏料底盤(pán)上固定一個(gè)圓形桶，圓筒側(cè)面留出安裝識(shí)別器位置，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別垃圾的功能。

圖2 漏料裝置二維工程圖及其相關(guān)尺寸

圖3 漏料裝置三維圖

2.2.3 垃圾分類(lèi)系統(tǒng)

2.2.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：當(dāng)完成垃圾識(shí)別后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的垃圾放置進(jìn)入不同的垃圾筒，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的方式進(jìn)行分類(lèi)，將四類(lèi)不同的垃圾桶通過(guò)M4 螺紋連接固定在轉(zhuǎn)盤(pán)上。在進(jìn)行垃圾分類(lèi)時(shí)，由電機(jī)帶動(dòng)M3 直齒輪以及M3 凸臺(tái)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪上方連接與齒頂圓半徑相同的亞克力片，使不同的垃圾進(jìn)入不同的垃圾筒。在每次成功分類(lèi)之后分類(lèi)圓盤(pán)將進(jìn)行復(fù)位。

圖4 垃圾分類(lèi)裝置旋轉(zhuǎn)接料二維工程圖及尺寸

圖5 垃圾分類(lèi)裝置旋轉(zhuǎn)接料三維展示

2.2.3.3 電控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要分為圖像采集模塊和stm32 控制系統(tǒng)。裝置開(kāi)啟后，攝像頭模塊啟動(dòng)，算法識(shí)別垃圾位置、種類(lèi)、數(shù)量，拍攝、輸入垃圾圖像，驗(yàn)證識(shí)別結(jié)果。識(shí)別完成后調(diào)用控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使目標(biāo)垃圾進(jìn)入相應(yīng)垃圾桶，完成一次分類(lèi)后旋轉(zhuǎn)舵機(jī)復(fù)位。

2.2.3.4 滿載警告：在垃圾桶的邊緣上加裝一個(gè)紅外線識(shí)別裝置，當(dāng)一次垃圾分類(lèi)完成后，控制系統(tǒng)會(huì)調(diào)用激光模塊，對(duì)桶內(nèi)垃圾進(jìn)行檢測(cè)。若一類(lèi)垃圾裝滿垃圾桶，紅外裝置會(huì)感應(yīng)識(shí)別，同時(shí)將滿載信息傳輸給顯示屏，從而顯示滿載信息及滿載垃圾類(lèi)型。

2.2.3.5 太陽(yáng)能供電裝置：為遵循“節(jié)能減排”的原則，本裝置采用太陽(yáng)能電池板進(jìn)行供電。供電裝置主要由太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池三部分組成。相對(duì)于傳統(tǒng)的電池而言，該裝置使用壽命更長(zhǎng)，硅晶體太陽(yáng)能電池壽命可長(zhǎng)達(dá)30 年。供電裝置本身不需要燃料，避免了二氧化碳的排放。

2.3 裝置工作流程

我們的控制系統(tǒng)基于Raspberry Pi 開(kāi)源硬件，即一種基于ARM 的微型電腦主板開(kāi)發(fā)。裝置上的控制器是32 單片機(jī)，在裝置運(yùn)行時(shí)，向投放口放入一個(gè)垃圾。垃圾進(jìn)入由推桿配合控制的漏料裝置中，漏料底盤(pán)由六片扇頁(yè)組成，同時(shí)由兩根漏料推桿控制開(kāi)合。在漏料底盤(pán)上固定一個(gè)用作識(shí)別的攝像頭，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別垃圾的功能。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的垃圾放置進(jìn)入不同的垃圾筒，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的方式進(jìn)行分類(lèi)，將四類(lèi)不同的垃圾桶固定在亞克力轉(zhuǎn)盤(pán)上。在進(jìn)行垃圾分類(lèi)時(shí)，由旋轉(zhuǎn)舵機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)直齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪上方連接與齒頂圓半徑相同的鋁片，使亞克力轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，令與投入垃圾對(duì)應(yīng)的垃圾筒轉(zhuǎn)至漏料裝置下。垃圾在完成內(nèi)容識(shí)別且旋轉(zhuǎn)接料裝置轉(zhuǎn)至指定位置后，推桿控制漏料的扇頁(yè)開(kāi)啟，垃圾落入接料裝置的對(duì)應(yīng)垃圾桶中。

3 應(yīng)用前景及創(chuàng)新

圖6 智能垃圾分類(lèi)識(shí)別裝置三維示意圖

“環(huán)境保護(hù)”與“節(jié)能減排”一直是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展離不開(kāi)的話題。因此智能生活垃圾分類(lèi)裝置從與人們最貼切的生活垃圾入手，在全國(guó)大中城市，每天都會(huì)產(chǎn)生大量的垃圾，而人工垃圾分類(lèi)會(huì)極大的增加勞動(dòng)成本，原始的混合粗放型垃圾混合堆放分類(lèi)模式也會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成極大的危害。所以通過(guò)一款日常人們能夠使用到的智能分類(lèi)垃圾桶就顯的十分高效，因此應(yīng)用前景很廣。此款設(shè)備的智能識(shí)別裝置采用了圖像識(shí)別的方式，目前在國(guó)內(nèi)外的垃圾分類(lèi)裝置中大都采用紅外掃描方式，這樣雖然縮短了垃圾識(shí)別時(shí)的時(shí)間但是也極大的降低了識(shí)別的正確率。相反通過(guò)圖像識(shí)別不僅僅能直觀的判斷垃圾種類(lèi)，并且設(shè)備對(duì)于垃圾種類(lèi)的學(xué)習(xí)成本極低。