一種遠程遙控靈活多動式水面懸浮垃圾收集處理裝置分析

葉澍榮　曹卓　鄧展　王連城　韓承剛

摘 要：水是生命之源，然而水污染現象愈發嚴重。水面上的塑料、泡沫和生活廢棄物等懸浮垃圾更容易被生物所寄居，助長了物種入侵隱患。針對這一問題，本研究主要設計了一種遠程遙控多動式水面懸浮垃圾收集處理裝置，該裝置由發電模塊、動力模塊、浮沉自動調節模塊、遙控模塊構成，通過改變氣囊大小調節裝置浮沉，利用裝置內外水壓使垃圾隨水一起進入裝置，水泵排水提供動力，通過無線遙控靈活地控制垃圾收集裝置的位置，通過一系列邏輯門控制自動化浮沉，使該裝置平穩有效地完成工作。整個裝置的關鍵技術包括浮沉自動調節設計、遙控裝置設計、提供動力的機械設計等，無污染，節約能源，具有很強的綠色環保特點。

關鍵詞：機械設計;垃圾回收;環境保護

中圖分類號：TP242;R122 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.041

水是生命的源泉，是人類賴以生存的基本物質基礎。黨的十八大以來，為實現經濟的可持續發展，我國積極推進生態文明建設和生態環境保護工作。2018年和2019年，中央分別撥款180億元和200億元專項資金，用于加快推進水污染防治工作，紓解了水污染防治工作壓力[1]。但目前，部分區域水環境塑料污染狀況仍極為嚴峻，已經嚴重威脅到了水生生物的生存和人類的健康[2]。因此，捕撈水中的垃圾，是目前城市生態環境建設中迫在眉睫的課題。

本研究研制的基于水面垃圾處理的水面垃圾收集裝置，主要通過機械手段，有效利用電源，實現垃圾的收集。其最大特點是能夠提高效率。該裝置的設計針對水面垃圾收集處理，解決了現代社會的水生態污染的問題，具有快捷、方便、高效等特點。通過控制該裝置收集水面垃圾，避免了人工打撈存在的不安全因素，提高了工作效率，更符合社會發展、美化城市的需求。

1 項目內容

1.1 設計方案

1.太陽能板;2.伸縮桿;3.氣囊;4.細桿（上有水位感知器）;5.內部裝有氣泵;6.電源插口及螺旋槳遙控裝置;7.帶有閥門的排水口

該裝置由發電模塊、動力模塊、浮沉自動調節模塊、遙控模塊構成，利用太陽能驅動，能夠沿著水岸進行水面垃圾清理。水面垃圾收集裝置示意圖如圖1所示。

1.2 發電模塊

該裝置采用太陽能和鋰電池混合供電系統，根據發電量和儲電量自動選擇供電方式，不工作時通過太陽能向鋰電池充電，實現能量的儲存。太陽能驅動兩個泵、遙控裝置、水位控制器等，多余的電能儲存到該裝置內部密封夾層里的儲電裝置中。

在特殊情況下，如果長時間沒有太陽提供能源，該裝置底部有可以充電的插口。

太陽能板為圓形，位于水面垃圾收集裝置正上方，高出邊緣10 cm，便于水面垃圾的收集。太陽能板由中央的桿支撐，桿與該裝置的底端相連，可以伸縮，便于傾倒該裝置內的垃圾。垃圾處理裝置設計如圖2所示。

1.3 動力模塊

該裝置以噴水或者排氣作為動力，收集水上漂浮物時，水與漂浮物進入該裝置中，水從篩網漏出進入該裝置夾層上方孔洞內。水被孔洞內連接的水泵加速壓出，從該裝置的四個缺口噴出，通過控制水噴出的方向進而控制該裝置的移動方向。

當該裝置中的水排盡時，水泵開始排氣。由于該裝置孔洞上有鐵網，空氣透過紗網進入到夾層上的孔洞中，被水泵排出。因為收集的垃圾會被紗網過濾，紗網與孔洞之間留有空隙，不必擔心孔洞被垃圾堵住。而水泵排氣時會使其溫度升高，考慮到水泵在水下工作，工作溫度較低，所以不會產生太大影響。

為避免出現水泵損壞，導致裝置無法正常回收現象，產品底部設計了螺旋槳結構，如圖3所示，與遙控裝置部分線路相結合，切換按鈕實現不同的動力回收。

1.4 沉浮自動調節模塊

收集垃圾時，該裝置重量會變化。為了保證裝置作業時平穩，安裝浮沉自動調節裝置。

水位控制器有三個檔位，如圖4所示，分別為正常水位B、高水位C、超高水位D。高水位C與超高水位D感知器位于細桿上，正常水位B感知器位于氣囊邊。

浮沉控制流程圖如圖5所示。正常水位時，垃圾收集裝置正常保持在略高于水面的位置，控制器會停止氣泵工作。收集垃圾時，控制器會允許氣泵抽氣到高水位，到達高水位會停止氣泵工作。下降到超低水位時，垃圾收集器就有沉入水底的危險，控制器會啟動氣泵，開始充氣直到上升到正常水位。

為了便于實現浮沉功能，用三個開關模擬b、d端的狀態（1、0）模擬裝置在水面高度，正電極接+5 V電源，每個負電極分別通過4.7的電阻（R1，R2）接地。將單片機的P1.0端口接開關1，P1.1端口接開關2。假設被水淹沒的負電極都為高電平，開關此時置為1;露在水面的負電極都為低電平，開關此時置0。單片機通過負電極重復采集檢測裝置水位，當位于低水位時（此時兩個開關均置0），氣泵必須抽氣使氣囊縮小，降低水位;當裝置處于正常水位時，檢測信號為高，低電平（此時開關1置1，開關2置0）;當水位過高時，檢測信號為高電平（此時開關1和2都置1），單片機檢測到P1.0和P1.1為高電平后，氣泵立即充氣。

浮沉信號與控制操作關系如表1所示。

為便于收集垃圾，用一個開關模擬P1.2狀態（開關3此時不工作）。在裝置處于正常水位前提下開關工作，P1.2收到遙控信號時（開關1此時置1），氣泵開始抽氣，然后單片機重復采集檢測裝置水位，自動調節裝置水位。

為避免系統發生故障，裝置失去浮沉控制造成嚴重后果，在超高水位時單片機P1.7端口為氣泵充氣命令輸出端口，P1.7=0為低電平，經過閥門后與氣泵的另一端接地導通，啟動電機工作;P1.7=1為高電平。反之，氣泵停止工作。電路故障報警由單片機控制，電機故障報警信號由P1.0和P1.1輸入。

浮沉控制系統原理框圖如圖6所示。

1.5 遙控模塊

為實現該裝置收集垃圾的靈活性、移動性，安裝浮沉手動調節裝置。收集水上垃圾時，通過遙控器發出命令，使氣囊排出小部分氣體，該裝置下沉，當裝置邊緣低于水面，裝置內外形成水壓差，垃圾隨水一起流進該裝置內，之后裝置會自動調節高度。

發射/接收電路如圖7所示。

如圖8所示，M2接收遙控器藍色按鈕命令，M2輸出氣囊下方的氣泵。此命令使氣泵抽氣直到水位到達高水位，此時水面垃圾自動流入。

如圖9所示，M1與M3分別接收遙控器的左右搖擺桿的命令，M1與M3輸出連接垃圾收集裝置底部的四個缺口，控制關閉與打開。

1.6 遙控裝置參數

遙控器—發射板工作電壓：DC 3 V。

小功率接收主板工作輸入電壓范圍：DC 3.6 V～6.0 V（可以使用任何電源設備）輸出電壓電流：輸出電壓=輸入電壓，三路輸出/每單路輸出最大持續工作電流1.2 A。

大功率接收主板工作輸入電壓范圍：DC 6 V～15 V（可以使用任何電源設備）輸出電壓電流：輸出電壓=輸入電壓，三路輸出/每單路輸出最大持續工作電流5 A。

遙控距離50m。

1.7 理論設計計算

浮力計算：氣囊和其他物品所能提供最大浮力為1 352 N，而所有裝置的重量為475 N。排水量為475N+垃圾的重量。

電力分析：兩個抽水水泵每小時消耗260 W，充氣水泵每小時消耗120 W以下。太陽能板每小時發電390 W～400 W。接收器、繼電器、變壓器每小時消耗10 W以下。經過分析，太陽能發電足夠自給自足。

單個水面垃圾收集裝置質量及經濟成本如表2所示。

2 創新點

相比于以往的研究與探索，本項目具有以下幾點創新性：

第一，利用該裝置內外產生水壓進行垃圾打撈。

第二，擁有獨立的動力系統，通過水泵下出水口的壓力噴水實現裝置的移動，進而通過無線遙控控制移動方向。使該裝置具有很高的靈活性，提高垃圾收集效率。

第三，擁有沉浮調節系統，通過一系列邏輯門控制實現裝置自動化控制浮沉，使該裝置平穩有效地完成工作。

第四，擁有自動產能系統，采用太陽能和鋰電池混合供電系統，根據發電量和儲電量自動選擇供電方式，不工作時通過太陽能向鋰電池充電，實現能量的儲存。

3 結語

目前，水面垃圾處理按動力來源大致可分為人工駕駛和燃油驅動。人工駕駛主要采用半艙式或甲板機動駁船，進行人工水面垃圾撈出，這種作業方式耗時耗力、效率低下，且作業環境存在一定的風險。而依靠燃油驅動的垃圾清潔船價格昂貴且體型龐大，在小型水域無法作業，且產生大量廢氣和發生漏油的危險，會對大氣和水體造成污染。

現有的水面垃圾清潔裝置多為船形或凹形，利用傳送帶進行垃圾的收集處理。而該裝置設計為圓筒形，利用裝置內外產生的壓差進行打撈，不僅可以全方位收集垃圾，而且能夠盡可能地增大垃圾收集艙的體積，提高作業效率。

此遠程遙控多動式水面懸浮垃圾收集處理裝置通過遙控設備進行控制，可以打撈塑料、泡沫等垃圾，一定程度上節約了勞動力，保障了打撈的安全性。此裝置采用太陽能供電，通過浮沉調節裝置調節高度，配上蓄電池，可以全天工作，解決了能源浪費的問題。

參考文獻

[1] 葉忠明，楊晨露，張子墨.基于AHP應用的水污染防治資金項目績效評價研究——以河南省為例[J].會計之友，2021（24）：49-56.

[2] 田滿軍.水環境智能清潔機器人的視覺算法研究[D].北京：中央民族大學，2021.

基金項目：2021年大學生創新創業訓練計劃“遠程遙控靈活多動式水面懸浮垃圾收集處理裝置”（202110188025）