楊 帆，苑炳卿，戚 磊，姚俊紅

(德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253000)

1 背景

普通戶外垃圾箱多注重外形的美觀和密封性，而忽視了垃圾箱容量和環(huán)衛(wèi)工人處理的難度。街區(qū)、景點(diǎn)公園垃圾箱內(nèi)的垃圾以各種飲料瓶、食品包裝紙和其他不可回收的食物殘骸為主。各種垃圾混雜放置，特別是瓶類等中空物體占用了大量有效空間，而且各種雜物之間的蓬松和間隙占用了剩余約三分之一的空間，使得垃圾箱難以得到高效的利用。

傳統(tǒng)垃圾箱往往由于城市各個(gè)功能分區(qū)的人口密度、人流量的不同而填充情況不同，加上環(huán)衛(wèi)部門的垃圾清理效力，會(huì)出現(xiàn)部分垃圾箱因不及時(shí)清理而裝滿溢出進(jìn)而污染周圍環(huán)境、另一些垃圾箱則因裝填不足而浪費(fèi)人力的情況。垃圾車一般為柴油車，功率一般超過80 kW，排量在3 600 mL左右，浪費(fèi)燃油增加二氧化碳等尾氣排放及噪音擾民等現(xiàn)象時(shí)而發(fā)生，盡管如此依然會(huì)出現(xiàn)因清理不及時(shí)造成垃圾外漏、臭氣泄露、蚊蟲病菌滋生等問題［1］。

針對(duì)此現(xiàn)象，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了節(jié)能戶外垃圾箱，該裝置采用太陽能供電，可以對(duì)飲料瓶、食品包裝袋、果殼等垃圾進(jìn)行簡(jiǎn)易分類，對(duì)飲料瓶等占用空間大的垃圾先進(jìn)行壓縮后才進(jìn)入箱體內(nèi)。垃圾箱內(nèi)滿到一定程度時(shí)，通過壓板對(duì)其進(jìn)行多次多級(jí)整箱壓縮。當(dāng)垃圾箱完全裝滿后，提醒路人到附近垃圾箱投放，同時(shí)發(fā)送信號(hào)到環(huán)衛(wèi)部門的上位機(jī)，便于實(shí)現(xiàn)全區(qū)域垃圾箱的統(tǒng)一監(jiān)控，此舉可以避免垃圾箱溢滿外漏帶來惡劣狀況的出現(xiàn)。將景區(qū)街道垃圾處理系統(tǒng)化智能化完善化，推動(dòng)城市節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展。

2 總體方案

設(shè)計(jì)過程主要是由自動(dòng)啟閉模塊，垃圾分類模塊，瓶類壓縮模塊，整體壓縮模塊，遠(yuǎn)程通信模塊，平臺(tái)化應(yīng)用模塊等模塊組成。

2.1 自動(dòng)啟閉模塊

人手持垃圾靠近垃圾箱時(shí)自動(dòng)開門，并根據(jù)人手的動(dòng)作延時(shí)關(guān)閉，利于垃圾箱密封并防止臭氣廢物外泄。

2.2 垃圾分類模塊

礦泉水瓶一類的垃圾進(jìn)入瓶類壓縮機(jī)構(gòu)，其他雜物進(jìn)入大箱壓縮機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的垃圾分類。

2.3 瓶類壓縮模塊

先將礦泉水瓶扎破，再進(jìn)行下一步壓縮，避免瓶?jī)?nèi)空氣壓力的妨礙。

2.4 整體壓縮模塊

壓縮箱內(nèi)進(jìn)行多級(jí)壓縮、多次壓縮，使得壓縮比大幅度提高。

2.5 遠(yuǎn)程通信模塊

箱滿報(bào)警，提供全區(qū)域垃圾箱情況，規(guī)劃垃圾車出動(dòng)的最佳路線。

2.6 平臺(tái)化應(yīng)用模塊

以太陽能光伏電池為能源集成各種模塊，充分?jǐn)U展基點(diǎn)能源。提供良好的廣告宣傳平臺(tái)，可以解決城市廣告紊亂的現(xiàn)狀，又可以為此垃圾箱提供社會(huì)招標(biāo)資金，便于向社會(huì)推廣，減輕財(cái)政壓力。

圖1

3 模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法

3.1 自動(dòng)啟閉模塊

人手持垃圾靠近垃圾箱時(shí)垃圾箱會(huì)自動(dòng)打開垃圾投放口，人手持垃圾阻擋住位于投放口左側(cè)的紅外對(duì)管，紅外對(duì)管內(nèi)部的LM358 運(yùn)放芯片會(huì)因紅外接收管電平變化，而輸出低電平信號(hào)進(jìn)入主控單片機(jī)，由單片機(jī)控制舵機(jī)開啟垃圾投放口，紅外對(duì)管會(huì)根據(jù)人的手勢(shì)檢測(cè)，在檢測(cè)不到人手一段延時(shí)之后垃圾投放口自動(dòng)關(guān)閉。

3.2 垃圾分類模塊

垃圾分類模塊通過旋轉(zhuǎn)隔板拍打的方法將瓶類垃圾與其他雜物分開，使瓶類進(jìn)入瓶類壓縮機(jī)構(gòu)，其他雜物進(jìn)入大箱，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的垃圾分類。

3.3 瓶類壓縮模塊

紅外對(duì)管通過相同原理檢測(cè)到瓶類掉落到壓縮器中，通過單片機(jī)通過控制繼電器驅(qū)動(dòng)短程電動(dòng)推桿推動(dòng)雙層板壓縮板，雙層板之間由彈簧連接中間裝配有鋼針，在壓縮開始時(shí)雙層板會(huì)因?yàn)楸还钠鸬钠孔幼璧K，中間的彈簧收縮，釘子露出，將瓶類扎破，再進(jìn)行壓縮。避免了在壓縮過程中的瓶類在擠壓過程中由于擠壓產(chǎn)生爆炸或擠壞壓縮裝置的情況。

圖2 瓶類壓縮過程至釘子露出

3.4 整體壓縮模塊

當(dāng)不同高度的紅外對(duì)管模塊檢測(cè)被堆積的垃圾阻擋時(shí)，輸出端口持續(xù)輸出低電平信號(hào)，此信號(hào)傳送到單片機(jī)中由單片機(jī)判斷之后，向L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)送壓縮信號(hào)帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行分級(jí)壓縮。

當(dāng)垃圾箱達(dá)到總?cè)萘康陌俜种呤畷r(shí)，電機(jī)下拉壓縮板壓縮到垃圾箱容量的百分之五十;當(dāng)垃圾箱達(dá)到總?cè)萘康陌俜种攀畷r(shí)，再次啟動(dòng)電機(jī)，壓縮到百分之七十。機(jī)械結(jié)構(gòu)是由垃圾箱底部?jī)蓚€(gè)大功率減速電機(jī)通過細(xì)鋼繩對(duì)壓縮板的拉拽實(shí)現(xiàn)壓縮功能，上方安裝的另兩個(gè)減速電機(jī)則帶動(dòng)壓縮板復(fù)位(如圖3)。

圖3 壓縮板運(yùn)行

3.5 遠(yuǎn)程通信模塊

當(dāng)垃圾箱中安裝的百分之九十位置紅外對(duì)管第二次檢測(cè)到垃圾時(shí)，單片機(jī)通過GSM 手機(jī)短信模塊向電腦上位機(jī)端的另一臺(tái)GSM 發(fā)送短信或GPRS 數(shù)據(jù)［2］，在電腦上位機(jī)接收處理后在街道模擬圖上對(duì)應(yīng)的垃圾箱顯示為紅色，表示需要工人清理，上位機(jī)通過分散在城市各處垃圾箱發(fā)回的數(shù)據(jù)綜合指引環(huán)衛(wèi)部門規(guī)劃出最佳路線后出動(dòng)垃圾車。(如圖4 為電腦上位機(jī)圖)

圖4 上位機(jī)模擬圖

3.6 平臺(tái)化應(yīng)用模塊

DHT11 溫濕傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。此模塊與單片機(jī)通過程序配合，通過液晶顯示實(shí)時(shí)溫度濕度，有關(guān)部門也可以通過遠(yuǎn)程通信模塊獲取溫濕度數(shù)據(jù)，生成變化曲線或等溫線圖，方便統(tǒng)籌溫度變化，預(yù)測(cè)天氣。當(dāng)垃圾箱滿時(shí)液晶顯示最近的垃圾箱位置提示民眾將垃圾丟到最近的垃圾箱中。

3.7 光伏發(fā)電應(yīng)用模塊

光伏發(fā)電由太陽能電池板、太陽能蓄電池、太陽能控制器、太陽能支架等組成，其中最需要配套的是太陽能蓄電池和太陽能電池板。如果太陽能電池板的功率偏大，蓄電池的容量偏小，就會(huì)浪費(fèi)資源，而且發(fā)揮不出最大的實(shí)際使用功率;如果太陽能蓄電池容量偏大，太陽能電池板功率偏小，就會(huì)導(dǎo)致蓄電池充電不滿［3］。本模塊設(shè)計(jì)中，選用的是單晶硅太陽能電池板，單晶硅太陽能電池相對(duì)與多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜電池具有效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然成本也稍高，綜合考慮各方面的因素選用了單晶硅太陽能電池板。選用全密封式免維護(hù)鉛酸蓄電池，它具有價(jià)格低、電壓穩(wěn)定、無污染、整個(gè)使用周期內(nèi)無需維護(hù)使用方便等優(yōu)點(diǎn)［4］。選用一款新型智能型太陽能光電控制器，它具有智能優(yōu)化SOC 控制、高精度穩(wěn)定補(bǔ)償、防過充、過放、點(diǎn)短路、防反接保護(hù)等全自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。

太陽能電池板與蓄電池配置計(jì)算公式

1)根據(jù)以下公式計(jì)算出電流:電流=功率÷電壓.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用了12 V 蓄電池系統(tǒng)。設(shè)計(jì)功率:1 W 的LED 燈、單片機(jī)、4 個(gè)直流減速電機(jī)、1 個(gè)舵機(jī)和其他外圍電路，一天內(nèi)的平均功率約為5 W。所以:電流I=5 W÷12 V≈0.42 A。

2)計(jì)算出蓄電池容量需求:蓄電池容量=電流×工作時(shí)間×連續(xù)陰雨天數(shù)。設(shè)計(jì)需要滿足連續(xù)陰雨天3 天的照明需求。所以:蓄電池容量=0.42 A×24 h×3 d=30.24 Ah。經(jīng)過性價(jià)比較所以最終選用30 Ah 的蓄電池。

3)計(jì)算出電池板的需求峰值(WP):WP÷電壓=(電流×工作時(shí)間×120%)÷有效光照時(shí)間。系統(tǒng)每天累計(jì)工作時(shí)間為24 h;考慮到垂直光照時(shí)間短，電池板平均每天接受有效光照時(shí)間設(shè)為4 h，需要最少放寬對(duì)電池板需求20%的預(yù)留額。所以:WP÷17.6 V=(0.42 A ×24 h ×120%)÷4 h。WP≈53.23 W?？紤]理論與實(shí)際的差值及預(yù)留所以我們選用60 W 的太陽能電池板。

當(dāng)遭遇連日陰雨天氣或太陽能板故障，在電池充滿的狀況下可以維持三天基礎(chǔ)功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。垃圾箱電池電力不足百分之十時(shí)垃圾箱的垃圾投放口將自動(dòng)打開，各個(gè)分支模塊停止工作，僅保留箱滿報(bào)警功能，達(dá)到最大的續(xù)航時(shí)間并發(fā)送代碼到上位機(jī)，上位機(jī)的街道模擬圖上對(duì)應(yīng)的垃圾箱顯示變?yōu)辄S色，并在信息欄展現(xiàn)，提醒工作人員及時(shí)維修或充電。

4 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)部門對(duì)轄區(qū)所有垃圾箱的智能化監(jiān)控，可以統(tǒng)籌安排、綜合策劃垃圾車的運(yùn)行方案。將智能節(jié)能垃圾箱作為一個(gè)城市基點(diǎn)加裝各種開放性模塊，如已經(jīng)集成了的環(huán)境溫濕采集，和其他夜間照明、廣告宣傳等功能，通過遠(yuǎn)程通信模塊實(shí)現(xiàn)有關(guān)部門和基點(diǎn)的互動(dòng)交流，從多個(gè)方面提升城市的節(jié)能減排效果。

本設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊既能單獨(dú)工作又能協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，各地市政府部門可以根據(jù)實(shí)際情況和規(guī)劃選擇工作模組。

在設(shè)計(jì)中經(jīng)過多次的模擬實(shí)驗(yàn)、評(píng)測(cè)和改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)所有功能。我們進(jìn)行了一批調(diào)查，反響很好，有較大的支持力度。

［1］我國(guó)城市自裝卸式垃圾運(yùn)輸車發(fā)展分析［J］.中國(guó)商用汽車網(wǎng)綜合，2011(8):19.

［2］李元臣，張鵬祥.基于GSM 網(wǎng)絡(luò)短消息的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)［J］.安防科技，2008(3):20－22.

［3］battery.com.cn 編輯部.太陽能電池板的日常檢查和維護(hù)［OL］.中國(guó)電池網(wǎng)，2013－09－26.

［4］2014 中國(guó)(沈陽)國(guó)際太陽能產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)［OL］.www.newenergy.org.cn，2014－05－12.