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，會出現(xiàn)部分垃圾箱因不及時清理而裝滿溢出進(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)象時而發(fā)生，盡管如此依然會出現(xiàn)因清理不及時造成垃圾外漏、臭氣泄露、蚊蟲病菌滋生等問題［1］。

針對此現(xiàn)象，我們設(shè)計并制作了節(jié)能戶外垃圾箱，該裝置采用太陽能供電，可以對飲料瓶、食品包裝袋、果殼等垃圾進(jìn)行簡易分類，對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，通過壓板對其進(jìn)行多次多級整箱壓縮。當(dāng)垃圾箱完全裝滿后，提醒路人到附近垃圾箱投放，同時發(fā)送信號到環(huán)衛(wèi)部門的上位機(jī)，便于實現(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，推動城市節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展。

2 總體方案

設(shè)計過程主要是由自動啟閉模塊，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，平臺化應(yīng)用模塊等模塊組成。

2.1 自動啟閉模塊

人手持垃圾靠近垃圾箱時自動開門，并根據(jù)人手的動作延時關(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)，實現(xiàn)簡單的垃圾分類。

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，避免瓶內(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

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

2.6 平臺化應(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，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招標(biāo)資金，便于向社會推廣，減輕財政壓力。

圖1

3 模塊設(shè)計和實現(xiàn)方法

3.1 自動啟閉模塊

人手持垃圾靠近垃圾箱時垃圾箱會自動打開垃圾投放口，人手持垃圾阻擋住位于投放口左側(cè)的紅外對管，紅外對管內(nèi)部的LM358 運(yùn)放芯片會因紅外接收管電平變化，而輸出低電平信號進(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，紅外對管會根據(jù)人的手勢檢測，在檢測不到人手一段延時之后垃圾投放口自動關(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，實現(xiàn)簡單的垃圾分類。

3.3 瓶類壓縮模塊

紅外對管通過相同原理檢測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)動短程電動推桿推動雙層板壓縮板，雙層板之間由彈簧連接中間裝配有鋼針，在壓縮開始時雙層板會因為被鼓起的瓶子阻礙，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)不同高度的紅外對管模塊檢測被堆積的垃圾阻擋時，輸出端口持續(xù)輸出低電平信號，此信號傳送到單片機(jī)中由單片機(jī)判斷之后，向L298N 電機(jī)驅(qū)動發(fā)送壓縮信號帶動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行分級壓縮。

當(dāng)垃圾箱達(dá)到總?cè)萘康陌俜种呤畷r，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，再次啟動電機(jī)，壓縮到百分之七十。機(jī)械結(jié)構(gòu)是由垃圾箱底部兩個大功率減速電機(jī)通過細(xì)鋼繩對壓縮板的拉拽實現(xiàn)壓縮功能，上方安裝的另兩個減速電機(jī)則帶動壓縮板復(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管第二次檢測到垃圾時，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，通過液晶顯示實時溫度濕度，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)測天氣。當(dāng)垃圾箱滿時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，就會浪費(fèi)資源，而且發(fā)揮不出最大的實際使用功率;如果太陽能蓄電池容量偏大，太陽能電池板功率偏小，就會導(dǎo)致蓄電池充電不滿［3］。本模塊設(shè)計中，選用的是單晶硅太陽能電池板，單晶硅太陽能電池相對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，它具有價格低、電壓穩(wěn)定、無污染、整個使用周期內(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)等全自動控制等優(yōu)點(diǎn)。

太陽能電池板與蓄電池配置計算公式

1)根據(jù)以下公式計算出電流:電流=功率÷電壓.本系統(tǒng)設(shè)計使用了12 V 蓄電池系統(tǒng)。設(shè)計功率:1 W 的LED 燈、單片機(jī)、4 個直流減速電機(jī)、1 個舵機(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)計算出蓄電池容量需求:蓄電池容量=電流×工作時間×連續(xù)陰雨天數(shù)。設(shè)計需要滿足連續(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)過性價比較所以最終選用30 Ah 的蓄電池。

3)計算出電池板的需求峰值(WP):WP÷電壓=(電流×工作時間×120%)÷有效光照時間。系統(tǒng)每天累計工作時間為24 h;考慮到垂直光照時間短，電池板平均每天接受有效光照時間設(shè)為4 h，需要最少放寬對電池板需求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垃圾箱的垃圾投放口將自動打開，各個分支模塊停止工作，僅保留箱滿報警功能，達(dá)到最大的續(xù)航時間并發(fā)送代碼到上位機(jī)，上位機(jī)的街道模擬圖上對應(yīng)的垃圾箱顯示變?yōu)辄S色，并在信息欄展現(xiàn)，提醒工作人員及時維修或充電。

4 結(jié)束語

該設(shè)計實現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)部門對轄區(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)程通信模塊實現(xiàn)有關(guān)部門和基點(diǎn)的互動交流，從多個方面提升城市的節(jié)能減排效果。

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

在設(shè)計中經(jīng)過多次的模擬實驗、評測和改進(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］我國城市自裝卸式垃圾運(yùn)輸車發(fā)展分析［J］.中國商用汽車網(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［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］.中國電池網(wǎng)，2013－09－26.

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