一種基于太陽能供電的智能高效生活垃圾分類裝置

郭韜文 謝汶沛

（重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

1 研制背景及意義

據(jù)有關(guān)資料顯示：近10 年，我國城市垃圾平均每年以8.98%的速度增長。我國歷年堆存的垃圾已達60 億噸，侵占了約5 億多平方米的土地。每年，我國生活垃圾產(chǎn)生量在4 億噸以上。中國的垃圾產(chǎn)生大多來自于快遞與外賣包裝[1]而在如今的社會中人們還暫未形成一種自覺的對于生活垃圾進行分類的意識。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，快遞包裝垃圾人均每年20 千克。生活垃圾的集中處理不僅占用大量的土地資源，還對環(huán)境造成嚴重的污染。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計中同樣顯示出垃圾的正確回收利用與中國各省市的經(jīng)濟發(fā)展有著直接的關(guān)系，諸如上海、深圳等經(jīng)濟高速發(fā)展的沿海城市垃圾的分類治理程度較好，治理機制也較為完善；但對于一些經(jīng)濟發(fā)展較為緩慢的地區(qū)，因為對于垃圾分類的不規(guī)范而導(dǎo)致了嚴重的環(huán)境污染以及人力物力資源的浪費[2]。為切實的保護自然環(huán)境以及節(jié)約社會資源而設(shè)計了生活垃圾智能分類裝置。

垃圾分類一般是指按一定規(guī)定或標準將垃圾分類儲存、投放和搬運，從而轉(zhuǎn)變成公共資源的一系列活動的總稱。目前，城市生活垃圾的品類繁多且產(chǎn)生量呈逐年上升趨勢，處置生活垃圾的任務(wù)繁重；現(xiàn)在仍是采用衛(wèi)生填埋、焚燒等傳統(tǒng)的生活垃圾處置方式，處理大量成分混雜的生活垃圾，極易造成生態(tài)環(huán)境的過度污染。但是，如果對生活垃圾進行分類處理，就可以簡化處理的過程，同時使生活垃圾中能夠循環(huán)利用的資源得到循環(huán)利用，節(jié)約資源，保護生態(tài)環(huán)境。縱觀國內(nèi)外關(guān)于智能分類垃圾桶的設(shè)計與研究，雖然對于城市垃圾分類有著一定程度的幫助，但是更多的設(shè)計都僅僅的停留在電控系統(tǒng)的理論設(shè)計亦或者是對于一些現(xiàn)有垃圾桶的改進，而在改進的垃圾桶中又大多圍繞著一些固定類型的垃圾進行分類包裝，例如塑料包裝垃圾。[3]然而單一的垃圾分類卻不能夠解決一些經(jīng)濟發(fā)展十分迅速，但自然資源整合與利用能力又相對薄弱的城市所帶來的“垃圾種類多，垃圾數(shù)量多”的基本問題。

針對以上所提出的問題，我們首先對于外型尺寸進行了改善，將原來龐大的垃圾分類裝置轉(zhuǎn)變成為了只用路邊普通垃圾桶大小的分類裝置；其次是針對目前國內(nèi)外單一分類包裝的改進，在本款智能垃圾桶中能對于四類生活垃圾進行智能的識別與分類，這樣實現(xiàn)資源的最大再利用率；然后設(shè)計小組通過現(xiàn)有資料顯示出的城市人口結(jié)構(gòu)分布數(shù)據(jù)[4]以及“節(jié)能減排”的基本原則改良了智能垃圾桶的供能系統(tǒng)——新型的智能分類系統(tǒng)采用太陽能電池板，一方面降低了因為能量轉(zhuǎn)換而排放的溫室氣體達到了“減排”的目的，另一方面通過太陽能高效的轉(zhuǎn)化為電能極大的降低了能源成本而達到“節(jié)能”的目的。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計思路

在設(shè)計智能垃圾分類裝置時主要針對以下幾個方面考慮：

針對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計：本裝置機械結(jié)構(gòu)主要由漏料裝置及旋轉(zhuǎn)接料裝置兩部分組成。漏料裝置由兩個電動推桿推動六片扇葉控制開合。旋轉(zhuǎn)接料裝置由旋轉(zhuǎn)舵機驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動從而達實現(xiàn)各垃圾桶旋轉(zhuǎn)。四個垃圾桶及亞克力底板被固定在M3 凸臺齒輪上，凸臺齒輪作為從動輪與直齒輪相嚙合。本裝置部分結(jié)構(gòu)由亞克力材料制成，在保證強度和韌性的同時減輕重量，以達到便攜的目的。

針對電控系統(tǒng)的設(shè)計：在電路設(shè)計中主要存在的問題一方面是實現(xiàn)功能的程序編輯，另一方面是電路元器零件的適配以及電路鋪設(shè)的問題。為了滿足“節(jié)能減排”的基本原則，裝置的電路元件以滿足機械運動為主要標準，以防止元器件過載以及電力的浪費問題的發(fā)生。在電路的鋪設(shè)中小組遵循美觀實用的原則，將電路器件鋪設(shè)在裝置內(nèi)部，電器元件也選擇體積相對較小的，以防止空間上的浪費。

針對裝置供能系統(tǒng)的考慮：對于科技社會發(fā)展與出于對自然環(huán)境的保護而言，“節(jié)能減排”一定是重中之重；對于機械結(jié)構(gòu)以及機械傳動而言，足夠的電力能源保障是實現(xiàn)機械運動的首要條件。為了調(diào)和這兩方面的矛盾，小組提出了一下幾個供能設(shè)備的選擇：內(nèi)置小型柴油發(fā)電機，48V 鉛蓄電池，12V2200毫安航模電池以及太陽能電池板。最后經(jīng)過討論研究選擇了太陽能電池板。

針對機械運動系統(tǒng)的設(shè)計：在設(shè)計制造時機械設(shè)計的最大問題為：機械零件雖然購買方便，但是質(zhì)量普遍較大的問題。并且隨著對于功能要求以及運動精度的不斷提高，機械配合也會越來越復(fù)雜，這會導(dǎo)致垃圾桶的質(zhì)量不斷增大，從而使這款裝置的普及率大大降低。于是決定將機械運動系統(tǒng)拆分為“主運動”與“副運動”兩個板塊，主運動的零件統(tǒng)一采用剛度較好的鋁合金材質(zhì)，而副運動所需要的零件采用5mm 厚的亞克力板通過激光切割獲得，一些特殊的零件例如傳動齒輪就通過設(shè)計非標齒輪之后再加工獲得。這樣從最大程度上減輕的裝置的質(zhì)量，同樣也避免了一些不必要的材料浪費。

針對外型外觀的設(shè)計：外型的設(shè)計同樣延續(xù)普通垃圾桶的外觀模型，采用鋁合金框架與透明亞克力板作為組裝外殼與垃圾桶的主要材料，一方面控制了裝置的總體質(zhì)量向人們展示了垃圾桶中具體的垃圾，同樣也便于控制裝置的體積，以達到便捷節(jié)能的效果。

2.2 基本結(jié)構(gòu)以及工作原理

為實現(xiàn)垃圾桶對于四類垃圾的分類投放，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計分為垃圾識別與垃圾分類、滿載警告三個方面同時結(jié)合電控系統(tǒng)以及能源供應(yīng)系統(tǒng)輔助。

2.2.1 整體設(shè)計方面

如圖1 整體圖所示智能分類垃圾桶從上至下分別安裝垃圾識別系統(tǒng)、接料圓盤裝置、四類垃圾桶、接料轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)。其中垃圾識別系統(tǒng)由分為接料圓筒（接料圓筒為上圓下方，上方矩形為200×200mm，下方圓形為直徑200mm）同時在圓筒側(cè)面拆開留出識別攝像頭的位置。經(jīng)過模擬測試，識別攝像頭固定在水平向下45°時識別效果最佳。在接料圓盤中每片扇葉中都可以連接電動推桿，在識別完垃圾種類之后由電動推桿控制扇葉的開合，同時下方的轉(zhuǎn)盤由舵機控制使對應(yīng)的垃圾桶旋轉(zhuǎn)到接料圓盤口，最終實現(xiàn)垃圾的正確分類。

圖1 智能垃圾分類裝置整體示意圖

2.2.2 垃圾識別系統(tǒng)

如圖2、圖3 當(dāng)垃圾從投放口投入后，進入由推桿配合控制的漏料裝置中，漏料底盤由六張扇葉組成，同時由兩根電動推桿控制開合。在漏料底盤上固定一個圓形桶，圓筒側(cè)面留出安裝識別器位置，以此來實現(xiàn)識別垃圾的功能。

圖2 漏料裝置二維工程圖及其相關(guān)尺寸

圖3 漏料裝置三維圖

2.2.3 垃圾分類系統(tǒng)

2.2.3.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計：當(dāng)完成垃圾識別后，為實現(xiàn)對不同的垃圾放置進入不同的垃圾筒，可通過旋轉(zhuǎn)圓盤的方式進行分類，將四類不同的垃圾桶通過M4 螺紋連接固定在轉(zhuǎn)盤上。在進行垃圾分類時，由電機帶動M3 直齒輪以及M3 凸臺齒輪轉(zhuǎn)動，從動輪上方連接與齒頂圓半徑相同的亞克力片，使不同的垃圾進入不同的垃圾筒。在每次成功分類之后分類圓盤將進行復(fù)位。

圖4 垃圾分類裝置旋轉(zhuǎn)接料二維工程圖及尺寸

圖5 垃圾分類裝置旋轉(zhuǎn)接料三維展示

2.2.3.3 電控結(jié)構(gòu)設(shè)計：主要分為圖像采集模塊和stm32 控制系統(tǒng)。裝置開啟后，攝像頭模塊啟動，算法識別垃圾位置、種類、數(shù)量，拍攝、輸入垃圾圖像，驗證識別結(jié)果。識別完成后調(diào)用控制系統(tǒng)，驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動使目標垃圾進入相應(yīng)垃圾桶，完成一次分類后旋轉(zhuǎn)舵機復(fù)位。

2.2.3.4 滿載警告：在垃圾桶的邊緣上加裝一個紅外線識別裝置，當(dāng)一次垃圾分類完成后，控制系統(tǒng)會調(diào)用激光模塊，對桶內(nèi)垃圾進行檢測。若一類垃圾裝滿垃圾桶，紅外裝置會感應(yīng)識別，同時將滿載信息傳輸給顯示屏，從而顯示滿載信息及滿載垃圾類型。

2.2.3.5 太陽能供電裝置：為遵循“節(jié)能減排”的原則，本裝置采用太陽能電池板進行供電。供電裝置主要由太陽能電池組件、太陽能控制器、蓄電池三部分組成。相對于傳統(tǒng)的電池而言，該裝置使用壽命更長，硅晶體太陽能電池壽命可長達30 年。供電裝置本身不需要燃料，避免了二氧化碳的排放。

2.3 裝置工作流程

我們的控制系統(tǒng)基于Raspberry Pi 開源硬件，即一種基于ARM 的微型電腦主板開發(fā)。裝置上的控制器是32 單片機，在裝置運行時，向投放口放入一個垃圾。垃圾進入由推桿配合控制的漏料裝置中，漏料底盤由六片扇頁組成，同時由兩根漏料推桿控制開合。在漏料底盤上固定一個用作識別的攝像頭，以此來實現(xiàn)識別垃圾的功能。為實現(xiàn)對不同的垃圾放置進入不同的垃圾筒，可通過旋轉(zhuǎn)圓盤的方式進行分類，將四類不同的垃圾桶固定在亞克力轉(zhuǎn)盤上。在進行垃圾分類時，由旋轉(zhuǎn)舵機帶動兩個直齒輪轉(zhuǎn)動，從動輪上方連接與齒頂圓半徑相同的鋁片，使亞克力轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，令與投入垃圾對應(yīng)的垃圾筒轉(zhuǎn)至漏料裝置下。垃圾在完成內(nèi)容識別且旋轉(zhuǎn)接料裝置轉(zhuǎn)至指定位置后，推桿控制漏料的扇頁開啟，垃圾落入接料裝置的對應(yīng)垃圾桶中。

3 應(yīng)用前景及創(chuàng)新

圖6 智能垃圾分類識別裝置三維示意圖

“環(huán)境保護”與“節(jié)能減排”一直是人類社會發(fā)展離不開的話題。因此智能生活垃圾分類裝置從與人們最貼切的生活垃圾入手，在全國大中城市，每天都會產(chǎn)生大量的垃圾，而人工垃圾分類會極大的增加勞動成本，原始的混合粗放型垃圾混合堆放分類模式也會對自然環(huán)境造成極大的危害。所以通過一款日常人們能夠使用到的智能分類垃圾桶就顯的十分高效，因此應(yīng)用前景很廣。此款設(shè)備的智能識別裝置采用了圖像識別的方式，目前在國內(nèi)外的垃圾分類裝置中大都采用紅外掃描方式，這樣雖然縮短了垃圾識別時的時間但是也極大的降低了識別的正確率。相反通過圖像識別不僅僅能直觀的判斷垃圾種類，并且設(shè)備對于垃圾種類的學(xué)習(xí)成本極低。