一種風光互補智能垃圾分類箱的設計

石騰 卿曉梅 盧衛萍 戴成軍 王剛

摘 要：為了使垃圾分類更加便捷、高效和節能，本文設計了一種風光互補智能垃圾分類箱，并通過分析控制流程來驗證其可行性與實用性。它主要包括風光互補供電系統、機械運動系統、智能識別分類系統和運輸自卸系統四大部分，既節能又環保，可以提高垃圾分類效果，改善人們的生活環境。

關鍵詞：智能垃圾分類箱;風光互補供能;智能識別分類

Abstract： In order to make waste sorting more convenient， efficient and energy-saving， this paper designed a wind-solar complementary intelligent waste sorting box， and analyzed the control process to verify its feasibility and practicability. It mainly includes four major parts， namely wind-solar complementary power supply system， mechanical motion system， intelligent identification classification system and transportation self-unloading system， which is both energy-saving and environmentally friendly， can improve the effect of garbage classification， and improve people's living environment.

Keywords： intelligent waste sorting box;wind-solar complementary energy supply;intelligent identification and classification

2019年6月，住房和城鄉建設部在《關于在全國地級及以上城市全面開展生活垃圾分類工作的通知》（建城〔2019〕56號）中提出全面啟動生活垃圾分類工作[1]。在國家加快推進生態文明建設和人民對高質量生活環境需求日益增強的背景下，垃圾分類產品的設計和優化非常必要。為實現其高效、節能和智能化，本文設計了一種風光互補智能垃圾分類箱（以下簡稱智能垃圾分類箱），彌補了傳統垃圾箱利用率較低、結構功能單一、垃圾分類處理步驟復雜等缺點，是一款集風光互補供電、機械運動、智能識別分類和運輸自卸為一體的多功能自動化垃圾分類設備，在節能環保領域有較好的應用價值。

1 總體設計方案

智能垃圾分類箱的總體設計方案如圖1所示，主要包括主體結構、風光互補供電系統、機械運動系統、智能識別分類系統和運輸自卸系統五個模塊。

2 系統模塊設計

2.1 智能垃圾分類箱主體結構的設計

智能垃圾分類箱頂部安裝太陽能電池板和小型風力發電裝置，并安裝一個鋰電池用于儲存兩者所產生的電能，如圖2（a）所示。

太陽能電池板下面配置了一個裝有紅外傳感器的可收縮箱蓋，當人體距離垃圾箱15～25 cm時，箱蓋會自動打開，待垃圾扔進垃圾箱內并且檢測不到人手靠近之后，箱蓋自動關閉，隨后垃圾進入智能分類程序。

機械轉盤裝置由L形刀、圓錐形支撐架、圓柱形垃圾收納轉盤和壓縮裝置組成，液壓舉升裝置位于機械轉盤裝置的底部，機械轉盤裝置側視圖如圖2（b）所示。

粉碎裝置位于機械轉盤裝置下面，由排列整齊的螺旋形粉碎部件構成，其下面配有一個倒立的等腰梯形狀收集裝置，其中一側設有沿內壁的廢液收集水渠;智能垃圾分類箱的足部設計了兩個“綠化帶”，用于吸收粉碎裝置處理的肥料。

通過對智能垃圾分類箱內部矩形收納裝置、機械轉盤裝置、粉碎裝置和傳統垃圾箱尺寸的分析，將智能垃圾分類箱尺寸設計為0.8 m×0.8 m×1.5 m。

2.2 風光互補供電系統的設計

智能垃圾分類箱所需的電能采用風光互補供電技術來提供，其中電力應用主要包括智能識別分類系統、粉碎裝置和移動裝置等，其電量消耗計算如表1所示。

2.2.1 光伏供電模塊。選用50 W的單晶硅太陽能電池板兩塊，將其安裝于箱蓋上方20 cm高度處，由支撐軸支撐，通過太陽能電池板對光角度的調節使其充分吸收光照。以南通市為例，按照月平均輻照和安裝傾角進行光伏供電量計算。如圖3所示，[β]為太陽能電池板所在平面與水平地面之間的夾角，[α]為太陽光線與其在水平地面上的投影之間的夾角，可根據南通地理位置選用最佳安裝傾角31°，朝向正南，通過計算，得出其年發電量約為1 305 kW·h，故平均每天的發電量約為3.57 kW·h。

2.2.2 風力供電模塊。選用型號名稱為fy-100的小型風力發電裝置[2]，將其安裝在太陽能電池板上方（支撐軸頂部），其主要技術參數如表2所示。

以南通市為例，進行風力供電模塊的發電量計算，若平均風速[V=3.3 m/s]，一天內的有效風速時間[T=15 h]，根據式（1）計算可得，選用型號fy-100的小型風力發電裝置日均發電量約為0.054 kW·h。

通過以上計算可得，風光互補供電系統每天的發電量為3.624 kW·h，大于2 kW·h，因此滿足智能垃圾分類箱運轉所需的電能。

2.2.3 蓄電池。選用型號為12 V/200 AH的鋰電池，其密封性良好，使用壽命長，電壓相對穩定，用于儲存太陽能電池板和小型風力發電裝置產生的電能。

2.3 機械運動系統的設計

鼓風機安裝在箱體最右側，如圖4（a）所示。在垃圾從投放口落入矩形收納裝置的過程中，鼓風機工作，使得紙張、枝葉等輕小物體被分離出來。旋轉門安裝在矩形收納裝置中依次排列，通過其旋轉依次將垃圾分離出來，并且在矩形收納裝置的角落設置一個直徑0.2 m的圓形落口，使得垃圾落入機械轉盤裝置。

矩形收納裝置底部為一個圓錐形支撐架，并在其上方焊接一個L形刀，對從圓形落口落下的垃圾進行“拉攏”處理，當圓柱形垃圾收納轉盤旋轉到圓形落口下方時，L形刀迅速分叉使得垃圾落入收納轉盤內，如圖4（b）所示。與圓錐形支撐架緊密連接的是圓柱形垃圾收納轉盤，高度為0.5 m，并且底部有小孔，以便廢液流淌，直徑根據子桶數目選擇，子桶數目根據其所放置的區域調整。圓錐形支撐架裝置底面圓內含有可伸縮的壓縮桿件，通過光感效應檢測技術可判斷垃圾箱體內所剩空間大小，當圓柱形垃圾收納轉盤所容納垃圾較多時，壓縮裝置由上而下進行壓縮，減少垃圾占據的空間，從而提高箱體的利用率。粉碎裝置位于機械轉盤裝置底下，采用排列整齊的螺旋形粉碎部件，其下面是一個倒立的等腰梯形狀的粉碎物收集裝置，并且其中的一側設有沿著內壁的廢液收集水渠。粉碎裝置會對識別后的廚余垃圾、果皮、枝葉等進行粉碎處理，并將處理好的粉碎物放置在粉碎物收集裝置中，殘留的廢液通過轉盤底部的小孔流進垃圾箱一側的廢液收集水渠，粉碎物可用來對垃圾箱足部的兩個“綠化帶”進行施肥，達到美化環境和凈化垃圾箱周圍空氣的目的。

2.4 智能識別分類系統的設計

智能垃圾分類箱充分利用傳感器的特性進行智能識別分類系統的設計，根據不同垃圾的材質特性（金屬性、透明度和電導率等）選擇多個傳感器組成識別系統。傳感器組成框圖如圖5所示。

2.4.1 識別原理。位于箱體一側的條形碼掃描器對帶有包裝的飲料瓶、包裝袋等進行種類識別;金屬探測器運用電磁感應的原理以區分金屬和非金屬材質的垃圾;選用紅外對射式傳感器（型號E3F-5DN1），用以區分非金屬垃圾中的透明和非透明垃圾;透明垃圾以玻璃和塑料為主，且玻璃與塑料的電導率特性不同，因此運用電容式傳感器來區分透明垃圾中的玻璃和塑料;不同材質的物體敲擊同一物體時所產生的聲音頻率信號不同，并且不同種類垃圾的外形不同，可將聲音傳感器（型號MCA-BTA）與X光速射線管掃描相結合來提高垃圾種類識別精度[3]。

2.4.2 識別過程。垃圾從投放口落入矩形收納裝置，位于箱體一側的條形碼掃描器對帶有包裝的垃圾進行種類識別，被識別出來的垃圾由旋轉門進入圓形落口。同時，位于箱體最右側的鼓風機開始運轉，紙張、枝葉等輕小物體被分離出來掉落到L形刀上，然后L形刀分叉使分類好的垃圾落進圓柱形垃圾收納轉盤中。接著，第一級旋轉門依次分離出垃圾，當位于旋轉門橫向“手臂”上的金屬探測器有感應時，直接將其旋轉進入垃圾收納桶，以此來區分金屬和非金屬垃圾;第二級旋轉門橫向“手臂”上安裝有紅外對射式傳感器和電容式傳感器，對剩余的非金屬垃圾進行透明垃圾與非透明垃圾的識別，其利用塑料和玻璃電導率不同的特性，運用電容式傳感器對玻璃和塑料進行區分，區分開來的垃圾經過第三級旋轉門進入圓形落口。其他種類的垃圾則被第三級旋轉門分離和識別，利用不同材質的物體敲擊同一物體所產生的聲音頻率不同，當垃圾與旋轉門的“手臂”碰撞接觸時，其軸向底部安裝的聲音傳感器吸收到聲音信號，并且借助位于箱體最左側的X光速射線管，掃描旋轉門分離出不同的垃圾，同時測距傳感器對分離出的垃圾進行尺寸測量，將掃描圖像、聲音信號和垃圾尺寸等信息傳輸到后臺計算機管理系統，它會根據已儲備的數據來判斷垃圾種類，然后與X光速射線管的掃描圖像進行匹配驗證，若匹配一致，則對應種類的子桶旋轉到L形刀下方，實現分類收納，反之，則將其歸為其他垃圾，傾卸時采集其性質參數，不斷更新后臺數據庫。

2.5 運輸自卸系統的設計

智能垃圾分類箱將GPS定位技術、遙控技術、履帶移動裝置和液壓舉升裝置相結合，實現運輸自卸功能。如圖6所示，智能垃圾分類箱的底部安裝有履帶移動裝置和遙控信號接收設備。當有垃圾回收車經過進行垃圾箱清理時，智能垃圾分類箱底部安裝的遙控信號接收設備接收工作人員發出的指令信號，按照GPS定位技術規劃的短距離路線通過底部履帶移動裝置移動靠近垃圾回收車。打開一側垃圾箱門，通過轉軸旋轉出機械轉盤裝置，利用圓柱形垃圾收納轉盤底部的液壓舉升裝置將其抬高，頂部的壓縮裝置開始延伸，兩者組合使垃圾收納轉盤開始傾斜，完成運輸自卸任務;通過網絡技術實現垃圾收集、分類、回收、處理一體化運行，可根據卸除垃圾的頻率等信息產生有價值的大數據，方便城市管理和資源合理利用[4]。

3 智能垃圾分類箱的控制流程

在設計智能垃圾分類箱主體結構、風光互補供電系統、機械運動系統、智能識別分類系統和運輸自卸系統的基礎上，本文設計和分析了風光互補智能圾分類箱的運轉控制流程，如圖7所示。

4 結語

本文所設計的風光互補智能垃圾分類箱既節能又環保，集垃圾分類、垃圾處理、機械運輸和垃圾自卸四大功能于一體，可以提高垃圾分類工作的實效，改善人們的生活環境，在居民小區、街道等戶外公共場所有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]胡莎莎，張菏瀟.我國城市生活垃圾分類困境及對策研究[J].法制與社會，2019（3）：137-138.

[2]P Jenkins，M Elmnifi，A Younis，et al.Hybrid Power Generation by Using Solar and Wind Energy：Case Study[J].World Journal of Mechanics，2019（4）：172-174.

[3]吳凡，孫穎，賈長青.基于物聯網的垃圾智能分類回收系統的研究[J].科技與創新，2017（14）：48-50.