周鵬程，馬超俊，朱勇輝

（南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，江蘇 南京 210044）

引言

當(dāng)前人們的物質(zhì)生活相比于以前有了極大的豐富，與此同時(shí)生活垃圾也在與日俱增?！拔覈a(chǎn)生量以年均5%～8%的速度增長，1990—2010年，城市生活垃圾已從6 767萬t增長至15 805萬t”[1]?！俺鞘兄械纳罾漠a(chǎn)生量、清運(yùn)量不斷增加，給城市生活垃圾管理和處置帶來巨大壓力，城市垃圾管理已成為城市發(fā)展所面臨的重要環(huán)境問題”[2-3]，“根據(jù)2004年的數(shù)據(jù)，城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理僅有 52.13%”[4]。

“據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年環(huán)衛(wèi)市場公開招投標(biāo)的環(huán)衛(wèi)項(xiàng)目年合同額達(dá)1 200億元”[5]?！?017年3月，發(fā)改委和住建部頒布的《生活垃圾分類制度實(shí)施方案》要求全國46個(gè)城市開展生活垃圾分類項(xiàng)目，并要求在2020年底回收利用率達(dá)到35%以上”[5]。因此，從居民日常生活角度出發(fā)探索一種綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)高效的城市垃圾處理系統(tǒng)是亟需解決的課題。

1 我國城市生活垃圾處理的現(xiàn)狀及問題

目前，各地城市環(huán)保部門在城市生活垃圾分類處理方面還存在差異。如在北京，政府采用垃圾分為可回收垃圾、廚余垃圾、其他垃圾三大類進(jìn)行回收處理；在杭州，分類方法就會(huì)比北京的三分法分更加詳細(xì)，將有害垃圾從其他垃圾中劃分出來單獨(dú)歸為一類。這樣的做法試圖引導(dǎo)居民進(jìn)行垃圾分類。為此，政府、企業(yè)通過更新改進(jìn)垃圾桶外觀、投放垃圾分類公益廣告等途徑宣傳生活垃圾分類的意義和重要性，還有志愿者走入小區(qū)內(nèi)進(jìn)行垃圾分類的宣傳監(jiān)督。雖然環(huán)保部門和相關(guān)企業(yè)積極通過設(shè)置分類投放的垃圾桶和垃圾分類進(jìn)行宣傳，實(shí)際效果卻不理想。

目前我國的垃圾處理水平還處于較低級(jí)的狀態(tài)，現(xiàn)在的城市生活垃圾的處理流程為集中混合收集、集中運(yùn)輸，集中處理。在城市垃圾處理各環(huán)節(jié)，居民生活垃圾處理不到位，且很少家庭會(huì)有意識(shí)地對(duì)產(chǎn)生的生活垃圾提前進(jìn)行分類處理操作。拾荒人主要在垃圾桶中尋找容易回收的垃圾廢品，在實(shí)際翻找過程中，容易造成垃圾桶的損傷及其他垃圾散落，增加環(huán)衛(wèi)工人的負(fù)擔(dān)。最后作為垃圾桶清理維護(hù)的環(huán)衛(wèi)工人平均年齡較高，文化水平較低，無法進(jìn)行較為復(fù)雜的操作，在大多數(shù)情況下只能進(jìn)行簡單的垃圾運(yùn)輸和清掃工作。

垃圾桶涉及城市垃圾的傾倒、分揀、處理各個(gè)環(huán)節(jié)，在城市生活垃圾處理中扮演著重要的紐帶作用。目前存在的各種問題也基本都由垃圾桶設(shè)計(jì)不合理或使用不當(dāng)造成了生活垃圾混雜、滋生蚊蠅。

2 綠色智能分類生活垃圾桶設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)理念

本作品選用HT46F49E作為主控單片機(jī)，利用紅外傳感器、震動(dòng)傳感器等模塊，主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）綠色環(huán)保。該產(chǎn)品若長時(shí)間無人使用，單片機(jī)將自動(dòng)關(guān)閉除紅外感應(yīng)外的電路電源，單片機(jī)進(jìn)入休眠，當(dāng)再次有人接近，單片機(jī)則會(huì)被喚醒，將關(guān)閉電路重新通電進(jìn)入正常工作狀態(tài)，從而大大減少能源的浪費(fèi)。

2）干凈衛(wèi)生。智能垃圾桶突破了傳統(tǒng)帶蓋垃圾桶用手或腳開蓋的模式，紅外感應(yīng)開、關(guān)的桶蓋減少了手與生活垃圾的接觸，降低了接觸細(xì)菌的機(jī)率。同時(shí)密封性更好，避免垃圾異味傳出，減少了垃圾桶對(duì)周圍空氣的污染、蚊蠅滋生的現(xiàn)象。

3）適用寬泛。本作品可設(shè)計(jì)成多種色彩、多種容量、多種材料和款式，滿足人們?nèi)找娉缟械膫€(gè)性化需求，廣泛使用于辦公、家用、公用、會(huì)議、醫(yī)療等場合。

2.2 外觀設(shè)計(jì)

外觀的設(shè)計(jì)尺寸、顏色可根據(jù)購買者進(jìn)行私人訂制，通過內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增加其抗撞擊性和內(nèi)部的穩(wěn)定性，并給智能傳感器系統(tǒng)預(yù)留空間，整體外觀設(shè)計(jì)方案圖如圖1所示。

圖1 作品設(shè)計(jì)整體方案

為避免垃圾處理不及時(shí)易滋生蚊蠅、影響美觀并對(duì)人體健康有著潛在威脅的問題，內(nèi)部設(shè)計(jì)利用分布均勻的小孔，進(jìn)行固液分離，并利用通過納米TiO2光催化氧化滅菌技術(shù)，在垃圾桶內(nèi)部表面涂覆相應(yīng)的納米TiO2涂層[6]，實(shí)現(xiàn)垃圾桶抑菌除臭、消除垃圾桶周邊蚊蠅的目的，儲(chǔ)水層利用絮凝劑聚合硫酸鐵對(duì)污水進(jìn)行初步凈化，水經(jīng)排水口定時(shí)排除或給有需求的人使用。

2.3 功能設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的功能是由電源模塊和通過一系列的傳感器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，其中傳感器系統(tǒng)由HT46F49E芯片控制模塊、信號(hào)檢測電路模塊和控制電路模塊三部分組成。電源模塊給HT46F49E單片機(jī)提供動(dòng)力；HT46F49E芯片建立輸入輸出模型，實(shí)現(xiàn)與信號(hào)檢測電路模塊的串行通信功能，以及實(shí)現(xiàn)基本控制功能；信號(hào)檢測電路模塊中的信號(hào)檢測部分是由各插孔的檢測電路分別與各個(gè)電器相串聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)外部的熱釋紅外傳感器對(duì)外部紅外熱源的檢測；震動(dòng)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外部重量和形變的檢測；紅外光傳感器模塊在信號(hào)檢測電路模塊中進(jìn)行紅外遙控發(fā)射與接收?？刂齐娐纺K主要是實(shí)現(xiàn)桶蓋的開啟與關(guān)閉。

當(dāng)有人進(jìn)入熱釋紅外傳感器的探測范圍，傳感器接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，產(chǎn)生中斷信號(hào)；震動(dòng)傳感器是將垃圾桶的震動(dòng)（被物體撞擊）或者重量變化轉(zhuǎn)變成電平信號(hào)，通過I/O口單片機(jī)可以查詢到此信號(hào)；有人靠近垃圾桶時(shí)通過查詢I/O信號(hào)，判斷是否打開垃圾桶蓋。其整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 作品系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，采用了高運(yùn)算速度、高性能、低功耗、高性能、靈活控制的輸入/輸出和低成本等特性的HT46F49E單片機(jī)作為核心控制模塊，信號(hào)檢測電路分為熱釋紅外傳感器、震動(dòng)傳感器、紅外光傳感器以及電源動(dòng)力部分三大模塊。

1）電源為產(chǎn)品提供動(dòng)力外還需要解決電信號(hào)中的干擾問題。電源電路模塊設(shè)計(jì)由變壓器、橋式整流電路、集成器7085及部分電容所組成，并且在集成器7085的兩邊并接電容用以濾波。

2）熱釋紅外傳感器模塊。HN911型熱釋電紅外探頭模塊的內(nèi)部電路框圖如圖3所示。人體發(fā)出的紅外線波長10μm左右，利用這種探頭波長為10μm左右的紅外輻射可以用來探測人體輻射，并對(duì)環(huán)境的干擾有明顯的控制。

圖3 HN911型熱釋電紅外探頭模塊外觀

3）震動(dòng)傳感器。此模塊在使用中通過采用可以將應(yīng)變片應(yīng)變產(chǎn)生的電阻轉(zhuǎn)換為差分電壓的惠斯通電橋，將差動(dòng)電橋、應(yīng)變片、薄膜和厚膜應(yīng)變片傳感器設(shè)計(jì)成震動(dòng)傳感器，并將應(yīng)變片貼在垃圾桶的內(nèi)側(cè)面，利用全橋電路靈敏度高的特點(diǎn)測量垃圾桶震動(dòng)幅度，并轉(zhuǎn)換成電壓接入單片機(jī)進(jìn)行分析和相應(yīng)的應(yīng)對(duì)。

4）紅外光傳感器。PT2262/2272是由一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片組成。PT2262-IR 發(fā)射芯片地址編碼輸入有“1”、“0”和“開路”三種狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸入有“1”和“0”兩種狀態(tài)。

PT2272各輸出端通過各種接口即可控制相應(yīng)的負(fù)載。其中發(fā)射芯片PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集于一身，簡化了發(fā)射電路。

5）控制電路模塊。控制電路模塊主要實(shí)現(xiàn)桶蓋的打開與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)方式主要通過采用電磁鐵來控制。當(dāng)電磁鐵通電后，產(chǎn)生電磁吸力，借助杠桿原理使桶蓋打開；斷電后，電磁吸力消失，桶蓋由于重力作用關(guān)閉。

3 結(jié)語

充分處理生活垃圾不僅僅能夠減少因生活垃圾對(duì)城市環(huán)境的污染，減輕城市垃圾回收站的負(fù)荷，而且能帶動(dòng)當(dāng)?shù)匾幌盗行袠I(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造財(cái)富價(jià)值。利用綠色智能分類生活垃圾桶進(jìn)行分類處理，是一種新型的垃圾處理方式，以提高人們垃圾分類的意識(shí)，同時(shí)提高城市居民的生活舒適度。