垃圾分類整理裝置的設計*

□ 何劍敏 □ 沈孟鋒 □ 陳文軍 □ 毛鵬濤 □ 蔡益建

杭州科技職業技術學院 機電工程學院 杭州 311402

1 設計背景

為加強生活垃圾分類管理,改善城鄉人居環境,上海、杭州、山東、廣州等地作為垃圾分類的排頭兵,相繼出臺生活垃圾管理條例[1]。伴隨著垃圾分類的推進,出現了互聯網+、全鏈條等垃圾分類新模式,以減少垃圾焚燒、填埋所造成的污染[2]。

為解決垃圾分類問題,部分研究者基于樸素貝葉斯分類器對垃圾分類管理進行研究[4],還有學者重點關注垃圾投放前端的自動識別技術應用[5]。在互聯網及傳感技術方面,胡文帥等[6]重點研究基于物聯網的智能垃圾桶,馬新玲等[7]采用高清攝像頭、紅外熱成像儀、物相分析儀等設備進行垃圾分類。在圖像處理技術方面,吳蓬勃等[8]設計了一款基于TensorFlow軟件的垃圾視覺分揀機器人試驗平臺,李美錕等[9]使用圖形處理器加速訓練,結合樹莓派實現垃圾分類,劉文斌等[10]應用圖像識別系統完成智能垃圾分類箱的設計。在語音識別技術方面,文獻[11-12]均利用STM32單片機和語音識別模塊進行識別。對于垃圾投放后端的垃圾處理,何慶浩等[13]基于電氣可編程序控制器技術設計多用途可回收垃圾自動分類裝置。對于廚余垃圾的處理,原一高等[14]利用微波加熱技術設計了一種餐廚垃圾微波干燥裝置。在后端進行垃圾分類和處理,成本明顯較高。

筆者為滿足垃圾前端分類處理需求,對不同垃圾進行有效回收和處理,減輕垃圾后端處理壓力,設計了一款垃圾分類整理裝置。

2 主要功能

垃圾分類整理裝置由鋁型材和亞克力板搭建,分為上下兩層,整體設計如圖1所示。

▲圖1 垃圾分類整理裝置整體設計

垃圾分類整理裝置上層以垃圾分類為主,下層以垃圾收集整理為主,特色功能主要為語音開蓋和智能集塵。垃圾分類整理裝置通過STM32單片機控制,通過語音識別和舵機實現自動開蓋功能,通過內置吸塵機和集塵桶實現垃圾智能收集。

3 設計方案

3.1 語音識別模塊

為解決投放人難以區分四大類垃圾的困擾,筆者使用語音識別模塊,投放人只需要正確說出投放的垃圾名稱,垃圾分類整理裝置便可以自動識別并打開相應垃圾投放桶的蓋板。語音識別模塊由LD3320語音識別芯片、SYN6288語音合成模塊、SG90舵機組成,通過麥克風接收語音信號,經過音頻處理,對語音信號進行解碼和數字化處理。語音識別流程如圖2所示。

▲圖2 語音識別流程

由圖2可知,語音信號分析處理時,與關鍵詞語列表進行對比,得到垃圾分類的匹配結果,繼而控制相應的舵機轉動90°,實現垃圾桶的開啟和關閉。

3.2 智能集成桶模塊

智能集成桶模塊主要由掃地機器人、吸塵機、集塵桶三部分組成。日常所用的掃地機器人清潔后,需要尋找充電位置進行充電,機器人中的清掃物不能及時清理,一般均由人工進行處理。在垃圾分類整理裝置中,對充電位置進行調整,增加15°斜面,同時在斜面底部加開吸塵槽。智能集成桶模塊結構如圖3所示。

▲圖3 智能集成桶模塊結構

當掃地機器人每次歸位進行充電時,觸發安裝在集塵桶上部圓形開口處的吸塵機工作。通過吸塵機產生的負壓,將塵盒內垃圾吸至集塵桶中,實現清潔與處理一體化。這一功能能夠避免用戶清理塵盒時造成二次污染。

機器人吸塵過程屬于氣固兩相流動,忽略清除垃圾對象的多樣性,分析簡化為單一介質的氣場流動問題,氣流場選用標準k-ε湍流模型。

標準k-ε湍流模型主要求解湍流動能k方程和湍流耗散率ε方程。k方程是精確方程,ε方程是根據經驗公式推導的方程。假定流場是完全發展的湍流,不考慮分子之間的黏性作用,方程為[15]:

+Gk+Gb-ρε-YM

(1)

(2)

μt=ρCμk2/ε

(3)

式中:ρ為密度;ui為流速分量;t為時間;xi、xj為流向分量;μ黏性因數;Gk為平均速度梯度引起的湍動能;Gb為浮力引起的湍動能;YM為可壓湍流中擴張產生的波動;μt為湍流黏性因數;C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數;σk、σε為湍動能k和耗散率ε對應的湍流普朗特數,σk=1.0,σε=1.3。

在集塵桶設計前期,需要對桶內空氣流動進行分析。利用Fluent仿真軟件進行流場分析,先在設計模塊中創建集塵桶三維模型。為節約不必要的計算資源,對集塵桶模型進行簡化處理,重點分析截面的流場。對集塵桶模型進行有限元網格劃分,共獲得4 802個單元和6 424個節點,同時設定進氣口、出氣口和壁面三個界面。將有限元模型中流體的屬性設定為空氣,密度設定為1.225 kg/m3,添加輸入接口邊界條件為0 Pa,輸出接口邊界條件為-6 kPa。采用半隱式連接壓力方程算法對有限元模型進行計算,得到流場顆粒軌跡,如圖4所示。

▲圖4 流場顆粒軌跡

根據流場顆粒軌跡可知,通過吸塵機所產生的負壓,可以將進入的空氣吸入集塵桶,通過底部間隙直達集塵桶右側的集塵袋。由于受到壁面的限制,在底部間隙入口處及右側集塵袋上產生渦流,使空氣在集塵袋中連續運動,初步達到垃圾進袋的效果,但同時導致流體速度變慢的情況。

4 試驗驗證

經過設計方案相關計算仿真后,搭建垃圾分類整理裝置實物。垃圾分類整理裝置長60 cm,寬60 cm,高88 cm,實物如圖5所示。

▲圖5 垃圾分類整理裝置實物

通過試驗,驗證以下功能:

(1)設置多種垃圾類型,通過語音智能識別系統,實現四大類垃圾識別,正確開蓋和關閉功能;

(2)掃地機器人成功進入15°斜面充電平臺,實現充電功能,同時啟動吸塵機,將掃地機器人底部的垃圾吸入集塵裝置。

5 優點

垃圾分類整理裝置有兩大優點。

(1)通過語音識別智能分類垃圾,幫助對生活垃圾分類不明確的投放人正確投放垃圾,有利于生態環保和垃圾可回收利用。

(2)配合掃地機器人自動集塵密封處理,在掃地機器人充電時,自動清理掃地機器人收集的垃圾,避免二次投放和揚塵,實現收集、清理一體化。