智能海洋垃圾桶

李文婧 孫 榕 刁鵬飛* 崔毓堯 朱旖凡 王欠欠

(1、東北林業大學工程技術學院,黑龍江 哈爾濱150040 2、東北林業大學機電工程學院,黑龍江 哈爾濱150040)

1 概述

海洋是人類賴以生存的第二大家園，被認為是人類取之不盡，用之不竭的聚寶盆。然而，人們在追求自身利益的同時，將陸地廢渣排入海洋，在海水養殖、海洋礦產開采、交通運輸等方面隨意傾倒廢棄物，致使海洋資源迅速減少，海洋污染問題也日益嚴重[1]。

統計顯示，海面垃圾中，塑料類占31%、泡沫類占46%、木制品占16%；海灘垃圾中，塑料類占22%、泡沫類占39%；海底垃圾中，塑料類比高達84%[2]。

對于這些近海垃圾，目前最常見的處理近海垃圾的方法主要包括人工捕撈以及借助大型的捕撈船撿拾。但這兩種手段都存在不同程度的局限性。捕撈船捕撈垃圾效率高，但不適用于近海，成本較為高昂，對捕撈人員的要求較高，使用過程中還會對海洋造成二次污染[3-5]。開發出一種新的方便快捷的近海垃圾捕撈方式成為亟待解決的問題。

本項目研究的光能海洋垃圾桶，通過筒身內外壁的升降，過濾睡眠、存儲垃圾，由光伏板接收太陽能并將其儲存到鋰電池中，具有能源環保的特點，且整個裝置原理簡單、安裝及使用方便快捷、投入成本低等優點，在節省人力的同時，降低了捕撈船排放物的二次污染，因此具有很強的可行性和實用性。

2 海洋垃圾桶結構以及電器設計

2.1 海洋垃圾桶結構設計

在本產品的結構設計上，我們將其分為主體部分、機械部分和能源裝置三部分，其中機械部分主要完成垃圾桶的內部升降，以便于完成對垃圾的收集，能源裝置主要為整個設備提供電能，下面具體介紹。其中海洋垃圾桶的整體結構圖如圖1所示。

圖1 海洋垃圾桶結構圖

2.1.1 桶身部分

桶的桶身部分（如圖2所示）主要包括外桶，內桶和過濾網袋。過濾袋由頂蓋、提手、過濾器和底環組成。頂蓋和底環的作用是使收集袋維持長筒的形狀，在桶中完成對海洋垃圾的收集，并完成海水和垃圾的分離。

圖2 海洋垃圾桶主體部分

2.1.2 機械部分

機械部分（如圖3）在收集海洋垃圾的過程中，外桶一直處于水面以下，采用氣泵水泵相結合的方式使內桶在吸水時下降到低于水平面，此時桶周的漂浮物由于吸力進入桶中，隨后內壁上升到水面以上，內壁的水在水泵的作用下濾出，垃圾停留在過濾網內，這樣就完成了一個工作循環。這樣的工作循環不間斷的循環往復，就達到了收集垃圾的效果。

圖3 升降裝置

2.1.3 能源裝置

第三部分為能源裝置，其中包括光伏板、電源控制裝置、蓄電池、逆變器。采用光伏發電技術，用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能，光伏板將光能轉化為化學能儲存在蓄電池中。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置，源源不斷的為電機提供電能，解決了在海洋環境中，海洋垃圾自動清理裝置的能源供應問題，同時達到節能環保的目的。

2.2 電器控制

電氣控制方面，我們采用了兩組擴散硅壓阻式SSC系列表面安裝型壓力傳感模塊，一組安裝在內桶內壁，當海水和垃圾被吸入桶中，桶內壁下沉至內桶被裝滿超過壓力傳感器的額定值，壓力傳感器產生信息電流控制氣泵開啟，利用氣壓使得內壁上升至水平面以上，同時水泵開啟，把水排盡。另一組壓力傳感器安裝在外桶內側，當水排凈，氣壓由變化轉為穩定狀態，觸發氣泵排氣，使得內桶再次下降，開啟另一個工作循環。使用基于8位C51單片機的控制，就能實現較為簡單的功能。此外還在內壁口處安裝一組E3F-DS30C4光電傳感裝置，同樣采用8位C51單片機控制，當裝置內垃圾裝滿則發出清理信號。

3 優勢分析

優勢1——自動收集垃圾

在海洋垃圾桶使用過程中，桶的外壁一直處于水面以下，內壁在吸水時下降到低于水平面，此時桶周的漂浮物由于吸力進入桶中，隨后內壁上升到水面以上，內壁的水在水泵的作用下濾出，垃圾停留在過濾網內，這樣就完成了一個工作循環。這樣的工作循環不間斷的循環往復，就達到了收集垃圾的效果。并且在收集垃圾過程中無需人員看守[6]。

優勢2——垃圾溢滿提醒功能

垃圾溢滿提醒功能主要由垃圾桶超聲波傳感器實現，垃圾桶超聲波傳感器最遠可以檢測35M，分辨率為1cm，工作溫度上下限高。這種傳感器等可以精準穩定的檢測垃圾桶內剩余容量，對比其它幾種常見的距離檢測傳感器，因為垃圾桶箱體狹小、垃圾多樣（紅外傳感器檢測不了色的、透明的水瓶、玻璃制品等）等因素，效果都不理想。這個垃圾桶超聲波傳感器擁有自由內部運行控制模式和外部數據自動觸發控制模式兩種內部控制模式，數據以模擬輸出、脈寬模擬輸出、rs232輸出等為主，其中有高精準的輸出聲功率與連續可變的輸出聲增益，能實時自動進行校準，具有無噪聲檢測距離等特點。安裝在垃圾桶內的超聲波傳感器系統可以輕松地應對垃圾桶內復雜的情況，達到了檢測垃圾桶內剩余容量的效果[7]。

4 結論

本項目設計的光能海洋垃圾桶由桶身內外壁的升降功能，實現對垃圾的收集，且在使用過程中僅需根據傳感器提示，定期回收垃圾，提高了人員利用率。并且在整個過程中采用的能源由光伏板轉化得到，潔凈環保。因此該設計不但使用簡單、制作成本低廉，而且環保安全，能夠避免傳統捕撈船對海洋的二次污染，是對捕撈船無法作業水域一種良好的補充，降低了治理近海垃圾的成本，具有很高的可行性和實用性，因此具有較好的推廣價值。