張敬 徐嘉良

摘 要：香煙在燃燒后產(chǎn)生的廢棄煙頭對(duì)環(huán)境是一大危害，因此對(duì)煙頭的收集及處理具有重要意義。針對(duì)城市煙頭收集問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種多功能煙頭收集器，利用三維軟件設(shè)計(jì)了收集器的整體結(jié)構(gòu)。采用光伏板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能給收集器提供電源，結(jié)合PLC編程控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)點(diǎn)煙、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)煙頭數(shù)量、自動(dòng)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(yáng)光充足的城市區(qū)域，其推廣和應(yīng)用對(duì)于環(huán)境保護(hù)和智慧城市建設(shè)具有積極意義。

關(guān)鍵詞：煙頭;光伏板;Wi-Fi;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);PLC

中圖分類(lèi)號(hào)：X705? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：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(fèi)量呈正比，每年全球煙支消費(fèi)約5.5萬(wàn)億支，可產(chǎn)生煙蒂約76.7 t，僅中國(guó)每年就超過(guò)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(guó)家統(tǒng)計(jì)局提供的最新數(shù)據(jù)，2021年全國(guó)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(jìn)入市政管網(wǎng)，易發(fā)生堵塞，其毒性可能對(duì)污水處理廠的微生物有一定的抑制作用，會(huì)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(zāi)，香煙點(diǎn)燃后的溫度比有些固體可燃物的燃點(diǎn)溫度高出2～3倍，因此，未熄滅的煙頭足以引起火災(zāi)。

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(gè)難題，一方面需加強(qiáng)市民對(duì)煙頭回收利用的認(rèn)識(shí)，另一方面可開(kāi)發(fā)煙頭收集器，以提高煙蒂的收集效率。如果能設(shè)計(jì)一款外形美觀的多功能煙頭收集器，實(shí)現(xiàn)煙頭的自動(dòng)計(jì)數(shù)，并自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，則有利于管理人員合理布置煙頭收集器的位置，對(duì)城市的環(huán)境保護(hù)和新型智慧城市的建設(shè)具有積極意義[5]。文獻(xiàn)[9]對(duì)戶外分類(lèi)垃圾箱上配置的煙蒂收集器進(jìn)行了優(yōu)化，基于連桿原理設(shè)計(jì)了新型煙蒂收集器;文獻(xiàn)[10]分析了建設(shè)智能化吸煙區(qū)的總體設(shè)想、核心技術(shù)及實(shí)現(xiàn)路徑;文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種煙頭收集裝置，可實(shí)現(xiàn)煙頭數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計(jì)。

本文以實(shí)現(xiàn)煙蒂的計(jì)數(shù)功能和數(shù)據(jù)上傳功能為目的，采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行垃圾桶機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用不銹鋼材質(zhì)進(jìn)行煙頭收集器機(jī)械部件的加工安裝，基于傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)煙蒂投放次數(shù)和點(diǎn)煙次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和客戶端實(shí)時(shí)查詢(xún)功能，并應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)解決煙頭收集器的日常用電問(wèn)題。

1??? 總體技術(shù)路線

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要合理布置收集器內(nèi)各個(gè)部件的位置，解決太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化并與其他部件之間進(jìn)行能量傳輸和利用的問(wèn)題。同時(shí)，結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)，利用PLC編程開(kāi)發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)煙頭收集器的各項(xiàng)智能功能。

利用三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)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(gòu)，總高度1 200 mm，剖面六邊形邊長(zhǎng)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(gòu)背面如圖2所示，旋轉(zhuǎn)門(mén)在打開(kāi)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(gòu)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、供電系統(tǒng)和電路控制模塊。其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括外桶、點(diǎn)煙裝置、滅煙部分、旋轉(zhuǎn)門(mén)（后門(mén)）、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(yīng)器、Wi-Fi通信模塊、GPS定位模塊、LED顯示屏、PLC電路板。

1.1??? 機(jī)械結(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)收集器的各項(xiàng)功能，需配合傳感器和PLC控制。通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，保證煙頭收集器各部件加工和安裝過(guò)程中機(jī)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(gè)點(diǎn)煙裝置。中間部分為煙頭熄滅及投遞入口。下部正面的3個(gè)側(cè)面安裝有3塊光伏板，用于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，背面開(kāi)有后門(mén)（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(mén)上，下層存放蓄電池，蓄電池用于儲(chǔ)存光伏板產(chǎn)生的電能，同時(shí)為其他系統(tǒng)部件供電。旋轉(zhuǎn)門(mén)可繞邊緣軸線轉(zhuǎn)動(dòng)打開(kāi)，同時(shí)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(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能光伏電池板的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)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(diǎn)，光伏發(fā)電是公認(rèn)的我國(guó)未來(lái)可再生能源發(fā)電的主要方式之一[13]。本文設(shè)計(jì)的多功能煙頭收集器主要安裝于室外陽(yáng)光充足的地區(qū)，無(wú)須外接電源，為實(shí)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(duì)水平面的夾角為27°，與我國(guó)北方緯度接近，使太陽(yáng)光線與光伏板1基本垂直，有利于提高太陽(yáng)光吸收效率;光伏板2、3、4安裝于3個(gè)側(cè)面，朝向太陽(yáng)光方向。4塊光伏板串聯(lián)，白天將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)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(shè)計(jì)

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(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)[14]。采用PLC控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)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(chǔ)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(gè)輸入/輸出接口。煙頭收集器通過(guò)PLC編程可實(shí)現(xiàn)電量分配、電量監(jiān)測(cè)、點(diǎn)煙控制、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線信號(hào)接收和發(fā)送、GPS定位、LED屏顯示功能。

2??? 功能實(shí)現(xiàn)

2.1??? 點(diǎn)煙功能

收集器頂部的左右兩側(cè)安裝兩個(gè)電弧點(diǎn)煙器，將單支香煙放進(jìn)點(diǎn)煙口，通過(guò)點(diǎn)擊LED屏幕的“點(diǎn)煙”按鈕，使點(diǎn)煙器通電，產(chǎn)生電弧，持續(xù)10 s，將煙支點(diǎn)燃。同時(shí)，PLC控制器會(huì)接收到點(diǎn)煙信號(hào)，點(diǎn)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(huì)沿滑道落入內(nèi)部收集桶，桶內(nèi)的煙頭增加一個(gè)。擋板上安裝有光電傳感器，滅煙的同時(shí)，傳感器將信號(hào)發(fā)送到PLC控制器，現(xiàn)有煙頭數(shù)據(jù)增加一個(gè)。

當(dāng)煙頭數(shù)目到達(dá)目標(biāo)數(shù)目后，垃圾清理員打開(kāi)后面的旋轉(zhuǎn)門(mén)，同時(shí)帶動(dòng)收集桶轉(zhuǎn)出，即可將桶內(nèi)煙頭全部清理干凈。旋轉(zhuǎn)門(mén)打開(kāi)的同時(shí)，光電感應(yīng)器會(huì)發(fā)送信號(hào)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(shí)時(shí)顯示煙頭收集器的編號(hào)及位置、當(dāng)?shù)貧鉁亍?dāng)前電量、內(nèi)桶當(dāng)前煙頭數(shù)量及總點(diǎn)煙次數(shù)，如圖4所示。

2.4??? 數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸功能

如圖5所示，通過(guò)各種傳感器和感應(yīng)器采集的信息發(fā)送到PLC控制器，控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可通過(guò)LED屏幕顯示部分關(guān)鍵數(shù)據(jù);同時(shí)，通過(guò)Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器儲(chǔ)存并處理接收的信息。管理員可通過(guò)管理員賬號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)和管理，用戶可通過(guò)手機(jī)端查詢(xún)煙頭收集器的相關(guān)信息，便于管理和使用。

3??? 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種六邊形結(jié)構(gòu)的多功能煙頭收集器，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)點(diǎn)煙、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)煙頭數(shù)目、電量自動(dòng)監(jiān)控等功能。該收集器利用PLC編程控制，對(duì)各部件采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器及終端設(shè)備，便于管理人員和市民使用。將太陽(yáng)能供電技術(shù)應(yīng)用到多功能煙頭收集器中，不僅解決了電源的供應(yīng)問(wèn)題，還符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)清潔能源、低碳環(huán)保的需求，可大力推廣應(yīng)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(jiǎn)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(yíng)銷(xiāo)、企業(yè)管理、績(jī)效管理、科技創(chuàng)新、精益管理、紀(jì)檢監(jiān)察等工作。