互聯(lián)網(wǎng)智能廢紙回收機設(shè)計

閆 爽，于 迪，劉曉華

(齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

綠色設(shè)計理念與廢紙回收綠色設(shè)計又稱生態(tài)設(shè)計、環(huán)境設(shè)計。綠色設(shè)計注重自然資源和生態(tài)環(huán)境的保護，使環(huán)境不受工業(yè)發(fā)展污染。綠色設(shè)計是為了資源消耗的再減少、再利用、再循環(huán)。而紙張回收從環(huán)保角度出發(fā)，考慮環(huán)境保護要素、技術(shù)應(yīng)用范圍和經(jīng)濟效益，為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的回收體驗，實現(xiàn)資源和能源的節(jié)約，減少環(huán)境污染。

1 智能紙張回收機設(shè)計背景

根據(jù)造紙行業(yè)數(shù)據(jù)，制漿造紙及紙制品全行業(yè)2020年完成紙漿、紙、紙板和紙制品合計25 498萬噸，同比增長1.22%，其中，紙及紙板產(chǎn)量11 260萬噸，較上年增長4.60%；紙漿產(chǎn)量7 378萬噸，較上年增長2.37%。我國對紙制品的需求量很大且逐年增加。造紙的主要原料有木漿、廢漿和非木漿(蘆葦漿、甘蔗渣漿、竹漿等)，這些原料存在極大缺口，這為紙張回收行業(yè)提供了極大的市場。對紙張進行二次回收再利用，可以在很大程度上減少對自然資源的消耗，減少能源消耗。

學(xué)校及企事業(yè)單位，每天廢紙產(chǎn)出量較大。據(jù)對齊齊哈爾大學(xué)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，67.86%的人日產(chǎn)生廢棄紙張數(shù)量為1～5張；26.79%的人日產(chǎn)生廢棄紙張數(shù)量為6～10張。對齊齊哈爾大學(xué)一號教學(xué)樓正門單日通過人數(shù)進行統(tǒng)計得到，單日通過平均為7 000人次，廢紙回收機器被關(guān)注并應(yīng)用的概率為20%，通過計算可以得出，每日機器應(yīng)收到的紙張數(shù)量約為4 725張(以A4紙為例：重量為4.366 g)，重量約為20 kg。學(xué)校中有十幾個教學(xué)樓、實驗樓及辦公大樓，這說明在學(xué)校內(nèi)部存在大量紙張需要回收，如果這些紙張能被統(tǒng)一回收處理，將對資源再生利用做出巨大貢獻。

辦公用紙也存在一些問題：辦公用紙的使用量很大，書寫、打印、傳真等紙張使用后，上面留存了很多信息，部分信息屬于個人或企業(yè)隱私，一旦泄漏將會帶來很多問題，因此紙張粉碎處理十分重要。回收中，雜物體積小，人工清理耗時長，且廢棄紙張中摻雜了其他廢物，為紙張后續(xù)處理造成困擾。

設(shè)計一種適用于校園周邊紙張回收的產(chǎn)品。智能紙張回收機為廢紙再利用提供了便利條件，解決了紙張信息泄漏問題，相較于焚燒方式，粉碎回收減少了燃燒造成的污染，實現(xiàn)了信息保護。

該紙張回收機對紙張進行粉碎后，減少了后續(xù)紙張?zhí)幚聿襟E，縮短了廢紙?zhí)幚頃r間，提高了回收效率。但碎后紙屑體積較小，不利于處理，因此設(shè)計了壓縮功能，使其回收過程更加便捷，利于操作。

2 智能紙張回收機設(shè)計理念

將不易回收且容易被忽視的能源進行回收利用，以實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用。智能紙張回收機設(shè)計考慮了經(jīng)濟、便利、功能等因素，通過對目前的紙張回收裝置進行分析發(fā)現(xiàn)，其中存在紙屑蓬松不易回收、所占體積大等問題，故而采取壓縮方式來解決。這種壓縮方式已應(yīng)用于生活的各個方面，如礦泉水瓶、易拉罐、快遞紙箱及一次性塑料餐具等廢品均采用壓縮處理，有利于存放，大大增加了運輸量，提高了回收效率。碎紙機可將紙屑壓縮成塊，體積小，便于回收利用。紙張回收機實現(xiàn)了環(huán)保理念，功能齊全，造型簡單，易于生產(chǎn)、加工、使用，在科技及互聯(lián)網(wǎng)管理方面體現(xiàn)了智能性。

3 智能紙張回收機設(shè)計方案

基于綠色環(huán)保理念及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了智能紙張回收機。主要實現(xiàn)4個功能，圖1為功能區(qū)域劃分。①區(qū)：控制臺及智能互聯(lián)網(wǎng)區(qū)；②區(qū)：紙張投入口及稱重區(qū)；③區(qū)：紙張粉碎區(qū)；④區(qū)：儲存消殺區(qū)。

圖1 智能紙張回收機的功能區(qū)域Fig.1 Function areas of intelligent paper recycling machine

基于微信小程序與物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)對機器的遠程控制。選取正點原子新戰(zhàn)艦STM 32開發(fā)主板、LORA通信模塊、激光測距模塊OV7725攝像頭等對機器進行監(jiān)控，通信模塊與云端進行聯(lián)通，云端經(jīng)過處理后，將數(shù)據(jù)及GPS定位情況向機器管理人員反饋機器狀態(tài)。

紙張容量監(jiān)測，如圖2所示。采用紅外線測距方法對機器中的紙張容量進行測定。將紅外線發(fā)射儀與接收儀固定在容積提醒線處的同一側(cè)，與之相對的一側(cè)放置反光鏡，當(dāng)其中紙張未達到機器容積的80%，紅外線將接收到反射光線，反之光線將受到紙張阻礙返回時將發(fā)生改變。接收儀在感知到數(shù)字變化時會向云端發(fā)射信號，云端對數(shù)據(jù)進行處理并反饋到手機小程序端，從而實現(xiàn)對紙張容量的監(jiān)控。

圖2 紙張容量監(jiān)控結(jié)構(gòu)Fig.2 Paper capacity monitoring structure

利用云端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理，將紙張回收價格同步至機器上，當(dāng)機器有紙張投入時，對紙張重量進行稱量，通過重力傳感器將所得數(shù)據(jù)傳入云端，并計算出紙張總價格反饋于機器顯示器上，通過微信小程序進行金額結(jié)算。

機器粉碎紙張功能的實現(xiàn)采用YD-428刀具進行粉碎切割，該機器刀片適應(yīng)于不同硬度的紙張，對投入紙張有著更大的包容性，可以減少機器故障發(fā)生。采用塑封袋及塑型模具進行壓縮處理，此為真空壓縮方式。對于不同紙張?zhí)匦裕梢赃x擇不同吸力強度來達到不同壓縮程度。

圖3 機器粉碎紙張功能Fig.3 Machine shredding paper function

機器消防安全是十分重要的，在火災(zāi)初期可能出現(xiàn)陰燃情況，在溫度不是很高的情況下，溫感傳感器不一定能夠即時做出報警處理，因此在機器上安裝了一氧化碳探測器。如果火勢迅猛，機器迅速升溫將會被溫度傳感器即時檢測到，當(dāng)周圍環(huán)境的一氧化碳達到一定濃度或溫度達到紙張燃點時，將自動通過物聯(lián)網(wǎng)平臺向消防部門及機器管理者發(fā)出火災(zāi)警報。

國家科學(xué)院研究表明，未經(jīng)消毒雙手的細菌總數(shù)為1 441個/cm2，大腸菌數(shù) MPN為15，而經(jīng)過消毒的雙手細菌平均數(shù)為364個/cm2，大腸菌群為0～6(MPN)個/cm2。紙張回收機作為一種公共設(shè)施，衛(wèi)生問題應(yīng)被重視，因此選用了紫外線燈照射方式對回收的廢棄紙張進行消毒。當(dāng)紙張被粉碎后，采用紫外線消毒燈照射3 min，這種消毒方式適用于密閉機器環(huán)境內(nèi)，相較于照射整本書籍粉碎后的消毒效果也更為明顯。與其他消毒方式相比，這種消毒方式更加方便快捷。

4 結(jié)論

綠色環(huán)境友好型機器設(shè)計符合我國環(huán)保及資源再利用要求。針對現(xiàn)有紙張回收裝置存在的不足，從綠色環(huán)保設(shè)計理念出發(fā)，提出粉碎壓縮設(shè)計，減少紙張運輸體積，解決紙張內(nèi)容泄露問題。智能型回收機將人工智能交互、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為設(shè)計的一部分，實現(xiàn)了自主操作，無需人工看守，可以解決學(xué)校周邊廢紙零碎不易回收問題，做到了自動回收，相較于人工回收降低了成本，減少了紙張資源浪費。