多功能煙頭收集器的三維結(jié)構設計

張敬 徐嘉良

摘 要：香煙在燃燒后產(chǎn)生的廢棄煙頭對環(huán)境是一大危害，因此對煙頭的收集及處理具有重要意義。針對城市煙頭收集問題，設計了一種多功能煙頭收集器，利用三維軟件設計了收集器的整體結(jié)構。采用光伏板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能給收集器提供電源，結(jié)合PLC編程控制，實現(xiàn)了自動點煙、自動統(tǒng)計煙頭數(shù)量、自動監(jiān)控電量、傳輸數(shù)據(jù)等功能。該煙頭收集器可布置于陽光充足的城市區(qū)域，其推廣和應用對于環(huán)境保護和智慧城市建設具有積極意義。

關鍵詞：煙頭;光伏板;Wi-Fi;結(jié)構設計;PLC

中圖分類號：X705? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0023-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.007

0??? 引言

煙蒂即煙頭，是紙煙吸到最后剩下的部分，包括濾嘴和殘留的未燃燒的香煙段[1-2]。煙蒂等廢棄物數(shù)量龐大，其產(chǎn)生量與煙支消費量呈正比，每年全球煙支消費約5.5萬億支，可產(chǎn)生煙蒂約76.7 t，僅中國每年就超過了1.8億支[3-4]。世界衛(wèi)生組織指出，到2025年，全球煙民人數(shù)將升至17億人以上。根據(jù)國家統(tǒng)計局提供的最新數(shù)據(jù)，2021年全國卷煙產(chǎn)量為24 182.4億支。巨大的煙支產(chǎn)量必然產(chǎn)生大量煙蒂，這些煙蒂被隨意丟棄，進入市政管網(wǎng)，易發(fā)生堵塞，其毒性可能對污水處理廠的微生物有一定的抑制作用，會降低污水處理廠的處理效率[5]。另外，丟棄的煙蒂容易引起火災，香煙點燃后的溫度比有些固體可燃物的燃點溫度高出2～3倍，因此，未熄滅的煙頭足以引起火災。

煙頭的回收利用，不僅可以減少環(huán)境污染，而且可以從廢棄煙頭中提取煙堿、茄尼醇和醋酸纖維等物質(zhì)另作他用[6-8]。煙蒂的回收、處理和管理一直是一個難題，一方面需加強市民對煙頭回收利用的認識，另一方面可開發(fā)煙頭收集器，以提高煙蒂的收集效率。如果能設計一款外形美觀的多功能煙頭收集器，實現(xiàn)煙頭的自動計數(shù)，并自動上傳數(shù)據(jù)到服務器，則有利于管理人員合理布置煙頭收集器的位置，對城市的環(huán)境保護和新型智慧城市的建設具有積極意義[5]。文獻[9]對戶外分類垃圾箱上配置的煙蒂收集器進行了優(yōu)化，基于連桿原理設計了新型煙蒂收集器;文獻[10]分析了建設智能化吸煙區(qū)的總體設想、核心技術及實現(xiàn)路徑;文獻[11]設計了一種煙頭收集裝置，可實現(xiàn)煙頭數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計。

本文以實現(xiàn)煙蒂的計數(shù)功能和數(shù)據(jù)上傳功能為目的，采用三維設計軟件進行垃圾桶機械結(jié)構設計，采用不銹鋼材質(zhì)進行煙頭收集器機械部件的加工安裝，基于傳感器技術實現(xiàn)煙蒂投放次數(shù)和點煙次數(shù)的統(tǒng)計，基于物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和客戶端實時查詢功能，并應用太陽能發(fā)電技術解決煙頭收集器的日常用電問題。

1??? 總體技術路線

在結(jié)構設計中，需要合理布置收集器內(nèi)各個部件的位置，解決太陽能轉(zhuǎn)化并與其他部件之間進行能量傳輸和利用的問題。同時，結(jié)合無線通信技術，利用PLC編程開發(fā)程序，實現(xiàn)煙頭收集器的各項智能功能。

利用三維設計軟件，設計了多功能煙頭收集器，其三維模型的正面如圖1所示。收集器主體為正六邊形結(jié)構，總高度1 200 mm，剖面六邊形邊長為220 mm;頂部為斜面，與水平面夾角為27°;LED屏幕大小為166 mm×102 mm，光伏板1尺寸為260 mm×270 mm，光伏板2、3、4尺寸均為700 mm×170 mm。收集器三維結(jié)構背面如圖2所示，旋轉(zhuǎn)門在打開狀態(tài)，內(nèi)桶（收集桶）為直徑150 mm的圓柱殼體。

多功能煙頭收集器的整體結(jié)構分為機械結(jié)構、供電系統(tǒng)和電路控制模塊。其中，機械結(jié)構包括外桶、點煙裝置、滅煙部分、旋轉(zhuǎn)門（后門）、內(nèi)桶（收集桶）;供電系統(tǒng)包括頂部光伏板、側(cè)面光伏板（3塊）和蓄電池;電路控制模塊包括線路鏈接、光電感應器、Wi-Fi通信模塊、GPS定位模塊、LED顯示屏、PLC電路板。

1.1??? 機械結(jié)構

要實現(xiàn)收集器的各項功能，需配合傳感器和PLC控制。通過三維設計軟件進行結(jié)構建模，保證煙頭收集器各部件加工和安裝過程中機械部件合理配合，不發(fā)生相互干涉。收集器主體分為上、中、下三部分。上部的頂板有一塊LED屏幕和一塊光伏板，內(nèi)部放置電路控制硬件部分和Wi-Fi接收發(fā)送模塊、位置定位模塊;側(cè)面安裝有兩個點煙裝置。中間部分為煙頭熄滅及投遞入口。下部正面的3個側(cè)面安裝有3塊光伏板，用于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，背面開有后門（圖2），內(nèi)部分為上、下兩層，上層放置煙頭收集桶（內(nèi)桶）固定于旋轉(zhuǎn)門上，下層存放蓄電池，蓄電池用于儲存光伏板產(chǎn)生的電能，同時為其他系統(tǒng)部件供電。旋轉(zhuǎn)門可繞邊緣軸線轉(zhuǎn)動打開，同時將內(nèi)桶移到外部，便于環(huán)衛(wèi)工人清理煙頭（圖2）。

1.2??? 供電系統(tǒng)

太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能光伏電池板的光伏效應，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為可利用電能的一種新型發(fā)電方式[12]，具有清潔、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，光伏發(fā)電是公認的我國未來可再生能源發(fā)電的主要方式之一[13]。本文設計的多功能煙頭收集器主要安裝于室外陽光充足的地區(qū)，無須外接電源，為實現(xiàn)收集器自給自足供電，在收集器上安裝了4塊光伏板，光伏板1安裝于頂板，頂板相對水平面的夾角為27°，與我國北方緯度接近，使太陽光線與光伏板1基本垂直，有利于提高太陽光吸收效率;光伏板2、3、4安裝于3個側(cè)面，朝向太陽光方向。4塊光伏板串聯(lián)，白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并儲存于蓄電池中，保證收集器在晚上和陰雨天氣仍可正常工作。收集器系統(tǒng)的供電流程如圖3所示。

1.3??? 控制系統(tǒng)方案設計

控制系統(tǒng)的核心部件是PLC控制器（可編程邏輯控制器），PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)[14]。采用PLC控制器對信號進行采集、接收、處理和控制，適用24 V直流電源，PLC的內(nèi)部主要由中央處理器CPU（存儲器和編程器）、指令及資料內(nèi)存模塊、輸入/輸出單元、電源模塊、數(shù)字模擬單元等組成，有多個輸入/輸出接口。煙頭收集器通過PLC編程可實現(xiàn)電量分配、電量監(jiān)測、點煙控制、數(shù)據(jù)采集、無線信號接收和發(fā)送、GPS定位、LED屏顯示功能。

2??? 功能實現(xiàn)

2.1??? 點煙功能

收集器頂部的左右兩側(cè)安裝兩個電弧點煙器，將單支香煙放進點煙口，通過點擊LED屏幕的“點煙”按鈕，使點煙器通電，產(chǎn)生電弧，持續(xù)10 s，將煙支點燃。同時，PLC控制器會接收到點煙信號，點煙次數(shù)增加一次。

2.2??? 煙頭熄滅、投遞及清理功能

將煙頭在滅煙口的擋板上熄滅，之后投入投遞口，熄滅后的煙頭會沿滑道落入內(nèi)部收集桶，桶內(nèi)的煙頭增加一個。擋板上安裝有光電傳感器，滅煙的同時，傳感器將信號發(fā)送到PLC控制器，現(xiàn)有煙頭數(shù)據(jù)增加一個。

當煙頭數(shù)目到達目標數(shù)目后，垃圾清理員打開后面的旋轉(zhuǎn)門，同時帶動收集桶轉(zhuǎn)出，即可將桶內(nèi)煙頭全部清理干凈。旋轉(zhuǎn)門打開的同時，光電感應器會發(fā)送信號到PLC控制板，提示垃圾清理完畢，現(xiàn)有煙頭數(shù)目清零。

2.3??? LED屏幕顯示功能

收集器頂板上的LED屏幕實時顯示煙頭收集器的編號及位置、當?shù)貧鉁?、當前電量、?nèi)桶當前煙頭數(shù)量及總點煙次數(shù)，如圖4所示。

2.4??? 數(shù)據(jù)信號傳輸功能

如圖5所示，通過各種傳感器和感應器采集的信息發(fā)送到PLC控制器，控制器對數(shù)據(jù)進行處理后，可通過LED屏幕顯示部分關鍵數(shù)據(jù);同時，通過Wi-Fi無線通信技術將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器，服務器儲存并處理接收的信息。管理員可通過管理員賬號對數(shù)據(jù)進行查詢和管理，用戶可通過手機端查詢煙頭收集器的相關信息，便于管理和使用。

3??? 結(jié)語

本文設計了一種六邊形結(jié)構的多功能煙頭收集器，實現(xiàn)了自動點煙、自動統(tǒng)計煙頭數(shù)目、電量自動監(jiān)控等功能。該收集器利用PLC編程控制，對各部件采集的數(shù)據(jù)進行分析，并利用無線通信技術將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器及終端設備，便于管理人員和市民使用。將太陽能供電技術應用到多功能煙頭收集器中，不僅解決了電源的供應問題，還符合現(xiàn)代社會對清潔能源、低碳環(huán)保的需求，可大力推廣應用，為各地區(qū)打造衛(wèi)生城市、文明城市、智慧城市提供數(shù)據(jù)支撐和有效途徑。

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收稿日期：2022-04-20

作者簡介：張敬（1978—），男，陜西延安人，MBA，工程師，延安市煙草公司寶塔分公司副經(jīng)理，主要從事黨建、卷煙營銷、企業(yè)管理、績效管理、科技創(chuàng)新、精益管理、紀檢監(jiān)察等工作。