王婉婷 王鵬

摘 ?要：針對(duì)乘客、參會(huì)人員隨手丟棄“半瓶水”這一浪費(fèi)現(xiàn)象，研發(fā)一款智慧瓶水分離回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)瓶裝礦泉水和飲料的水瓶與剩余的液體進(jìn)行智能識(shí)別分類，實(shí)現(xiàn)分離回收，同時(shí)利用酶解法將飲料中的糖分分解為小分子有機(jī)物，制作成肥料，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用。面對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲干擾，在直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)中引入PID控制器;利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端，結(jié)合大數(shù)據(jù)將某地區(qū)某時(shí)段的“半瓶水”浪費(fèi)現(xiàn)象形成用戶畫(huà)像，以此指導(dǎo)瓶裝水分發(fā)、售賣(mài)，實(shí)現(xiàn)智慧瓶水分離回收。

關(guān)鍵詞：半瓶水浪費(fèi);智慧瓶水分離回收系統(tǒng);STM32F4

中圖分類號(hào)：TP368 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）05-0168-04

Intelligent Bottle Water Separation and Recovery System for the Waste of Half Bottle Water under Green Winter Olympics

WANG Wanting， WANG Peng

（School of Electrical and Control Engineering， North China University of Technology， Beijing ?100144， China）

Abstract： Aiming at the waste phenomenon of “half bottle of water” discarded by passengers and participants， a smart bottle water separation and recovery system is developed. The system can intelligently identify and classify the water bottles and remaining liquids of bottled mineral water and beverages through convolutional neural network to realize separation and recovery. At the same time， the sugar in beverages is decomposed into small molecular organics by enzymatic hydrolysis to make fertilizer and realize the recycling of energy. In the face of the noise interference caused during the operation process of Brushless DC motor， the PID controller is introduced into the brushless DC motor control system; the Internet of things technology is used to transmit the data to the terminal， and the waste of “half bottle of water” in a certain period in a certain area is combined with big data to form a user portrait， so as to guide the distribution and sale of bottled water and realize the separation and recycling of smart bottle water.

Keywords： the waste of half bottle of water; smart bottle water separation and recovery system; STM32F4

0 ?引 ?言

瓶裝水是達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)水，集中收集后的水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的消毒處理即可達(dá)到泳池等娛樂(lè)用水標(biāo)準(zhǔn)。2022年冬奧會(huì)中的冰球、冰壺項(xiàng)目場(chǎng)地建造需要大量的水資源，智慧瓶水分離回收系統(tǒng)可以為國(guó)家冬奧會(huì)收集被丟棄的瓶裝水，經(jīng)過(guò)處理后用作他途，在很大程度上減少了水資源的浪費(fèi)。我國(guó)每年召開(kāi)各種會(huì)議，大量使用瓶裝礦泉水，會(huì)議結(jié)束后被丟棄的半瓶水隨處可見(jiàn)。為積極響應(yīng)國(guó)家綠色冬奧的號(hào)召，本文設(shè)計(jì)了可解決“半瓶水”浪費(fèi)問(wèn)題的智慧瓶水分離回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠解決大型集會(huì)中無(wú)人認(rèn)領(lǐng)瓶裝水的資源浪費(fèi)問(wèn)題，將礦泉水瓶與飲用水分類回收，減少人工回收時(shí)的低效及水資源的浪費(fèi)，在實(shí)現(xiàn)智能回收的同時(shí)還能呼吁大家重視生活中點(diǎn)點(diǎn)滴滴的水資源，推廣“清瓶活動(dòng)”。

1 ?設(shè)計(jì)方案

1.1 ?機(jī)械結(jié)構(gòu)

紅外傳感器檢測(cè)到有瓶子投放至系統(tǒng)時(shí)，傳送帶機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)作，電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器及光軸運(yùn)動(dòng)使履帶開(kāi)始繞光軸運(yùn)動(dòng)，瓶子通過(guò)傳送帶落入鏈輪機(jī)構(gòu)30°爪上，電機(jī)帶動(dòng)軸承及軸承上的鏈輪，使鏈條及爪向上運(yùn)動(dòng)，將水瓶豎直抬升。水瓶到達(dá)最高點(diǎn)后，由瓶水分離機(jī)構(gòu)和鏈輪爪相嚙合的傾斜臺(tái)面接住，水瓶從斜面滾入瓶水分離機(jī)構(gòu)。電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)軸上固定的鏈輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)軸以相等的速度旋轉(zhuǎn)，保證絲杠上基于法蘭盤(pán)鏈接的平面豎直向下移動(dòng)。

如圖1所示，瓶水分離機(jī)構(gòu)從上往下共有3個(gè)平面：A為可上下移動(dòng)的帶錐壓力板、B為廢瓶防粘機(jī)構(gòu)、C為可左右移動(dòng)的帶孔壓力板，絲杠控制B板扎破并壓縮瓶子，尖錐上有凹槽，防止空氣壓力過(guò)大對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)工作造成影響;瓶中水通過(guò)C板圓孔流入收集漏斗過(guò)濾儲(chǔ)存;將瓶子壓扁扎穿后絲杠逆向旋轉(zhuǎn)B板向上移動(dòng)，防止瓶子扎穿后留在B板上，A板穿過(guò)B板間隙小孔將遺留瓶子推下進(jìn)入塑料瓶收集桶，C板下降回到原來(lái)的位置。

最后在水箱中設(shè)置水位監(jiān)測(cè)程序，不但能夠提醒工作人員及時(shí)回收集中水資源，同時(shí)也能提升更多人節(jié)約水資源的意識(shí)。

用戶將瓶裝水從投放口投放后，水平傳送帶將礦泉水瓶運(yùn)送至鏈條，鏈條上的六齒不銹鋼叉與水平傳送帶呈30°傾斜角，垂直鏈條工作區(qū)入口是六齒不銹鋼叉與工作臺(tái)構(gòu)成的傾斜角為40°的斜坡，礦泉水瓶經(jīng)過(guò)該斜坡滾動(dòng)到工作區(qū)，如圖2所示。

如圖3所示，礦泉水瓶通過(guò)與鏈條上的爪子相嚙合的兩個(gè)爪子滾動(dòng)至工作臺(tái)后，電機(jī)通過(guò)鏈條帶動(dòng)兩個(gè)絲杠上的椎板向下移動(dòng)，戳破礦泉水瓶，瓶子中的水通過(guò)過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)入水箱，同時(shí)完成對(duì)礦泉水瓶的壓縮。錐板向上移動(dòng)時(shí)，錐板上的兩個(gè)鉤子帶動(dòng)工作臺(tái)，使其向一側(cè)傾斜將壓縮過(guò)的瓶子運(yùn)送至塑料瓶收集箱中，錐板向上移動(dòng)至一定高度后工作臺(tái)回落到初始位置。

1.2 ?控制系統(tǒng)

5G云智慧“半瓶水”分離回收系統(tǒng)采用鋰離子蓄電池與市電互補(bǔ)的雙供電系統(tǒng)，正常情況下選用開(kāi)關(guān)電源變壓器，將220 V 50 Hz交流電降壓整流成24 V直流電為設(shè)備供電;在意外斷電的情況下，系統(tǒng)內(nèi)置的24 V鋰離子蓄電池可維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)選用STM32F4作為主控制器，動(dòng)作器采用M3508直流無(wú)刷減速電機(jī)，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)精確控制轉(zhuǎn)速和位置。如圖4所示，投放傳輸模塊采用E3F-DS30C4漫反射式紅外線感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)投入瓶數(shù)的統(tǒng)計(jì)，向主控制器交互數(shù)量反饋;FS-IR02液位傳感器，基于紅外光學(xué)原理，檢測(cè)水位高低并輸出相應(yīng)的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)水區(qū)內(nèi)水位高低的檢測(cè)，向主控制器交互水量反饋，實(shí)現(xiàn)智慧瓶水分離回收。

系統(tǒng)通過(guò)紅外光電傳感器統(tǒng)計(jì)進(jìn)入裝置的瓶子個(gè)數(shù)，在收集到系統(tǒng)設(shè)定數(shù)量的瓶子后，電機(jī)帶動(dòng)鏈條傳送瓶子至壓縮區(qū)，借助絲桿使椎板下降，壓縮并刺破瓶身，最后推板運(yùn)作，瓶水分離。裝置使用M3508直流無(wú)刷電機(jī)與C620電調(diào)，電調(diào)與STM32F4控制板通過(guò)CAN協(xié)議通信，電調(diào)可以實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及位置的高、低八位共十六位數(shù)據(jù)，控制板解析數(shù)據(jù)后，結(jié)合基于PID算法的位置環(huán)與電流環(huán)閉環(huán)控制，將目標(biāo)值傳輸給電調(diào)解碼后控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣可以精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置，實(shí)現(xiàn)瓶子的轉(zhuǎn)送、壓縮裝置、推板的運(yùn)行。

1.3 ?識(shí)別系統(tǒng)

由于市場(chǎng)上水的種類繁多，飲料與礦泉水不能混合回收，很多人無(wú)法做到正確投放水瓶，需要人為識(shí)別液體的種類，于是我們?cè)O(shè)計(jì)了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)智能水瓶分類裝置。系統(tǒng)可以進(jìn)行高效的分類，使人們不必考慮所扔水瓶的種類[1]。

本文提出的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能水瓶分類裝置，只需將水瓶從投放口放入便可調(diào)用攝像頭對(duì)其拍照，使用OpenCV圖像識(shí)別算法對(duì)水瓶進(jìn)行分類，準(zhǔn)確度可達(dá)99%，通過(guò)舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)自主將水瓶分類投放至對(duì)應(yīng)箱體，實(shí)現(xiàn)礦泉水與飲料的分離回收，酶解法將飲料分解成有機(jī)肥料，礦泉水回收利用，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)模塊及顯示屏提示水的類別名稱、數(shù)量及滿載情況，極大地節(jié)省了后期處理所需的人力、物力，減少了資源消耗，提高了回收利用率。

本系統(tǒng)內(nèi)置的5G通信模塊，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知和傳輸數(shù)據(jù)、分析處理信息、使數(shù)據(jù)可視化，實(shí)現(xiàn)水瓶分類、瓶水分離回收、飲料糖分分解利用、控制與分析的智能化。

2 ?理論設(shè)計(jì)計(jì)算

本系統(tǒng)針對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中面臨的干擾問(wèn)題，在直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)中引入了PID控制器。

閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

（1）

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由定子磁場(chǎng)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)及供電電壓等共同決定的，電樞電壓增加，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增加，這就構(gòu)成了PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。相應(yīng)的公式為：

（2）

（3）

直流電機(jī)的速度理論值變化時(shí)，它的實(shí)際速度也將發(fā)生變化，造成階躍響應(yīng)增大，電機(jī)的速度增加[2]，若要使其增長(zhǎng)速度減慢，就需要限制它的控制量。相應(yīng)的公式為：

（4）

（5）

（6）

本系統(tǒng)采用的解決方法是：優(yōu)化PID參數(shù)和PID算法，結(jié)合變速積分來(lái)精確控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，增大無(wú)阻尼自然振蕩頻率，減少延遲時(shí)間。

3 ?結(jié)論及研究實(shí)踐意義

3.1 ?塑料瓶、水雙項(xiàng)回收

相較于以往的飲料瓶回收機(jī)僅能收集塑料瓶，我們的設(shè)備可以將塑料瓶和水分類回收，并將飲料中的糖分用酶解法分解為小分子有機(jī)物用作肥料，同時(shí)完成瓶子壓縮。據(jù)專業(yè)人士介紹，每1噸瓶裝水，一般需耗費(fèi)1.3噸原水。瓶裝水的水質(zhì)達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，相較于塑料瓶更具回收利用的價(jià)值[3]。

3.2 ?物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)應(yīng)用

如圖5所示，本系統(tǒng)內(nèi)置5G通信模塊，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可遠(yuǎn)程升級(jí)固件、更新視頻等。還可將系統(tǒng)自身收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給客戶終端，將區(qū)域內(nèi)“半瓶水”浪費(fèi)情況生成數(shù)據(jù)，進(jìn)而方便管理人員分析該區(qū)域用水情況，亦可提供數(shù)據(jù)給商業(yè)公司指導(dǎo)其市場(chǎng)行為[4]。

3.3 ?太陽(yáng)能與市電的應(yīng)用

本裝置創(chuàng)造性地使用太陽(yáng)能與市電雙供電系統(tǒng)，在正常天氣情況下，該裝置所需電量可完全由光伏發(fā)電提供，不需要消耗市電;在光照強(qiáng)度好的天氣情況下，光伏發(fā)電所產(chǎn)生的電量不僅能供給該瓶水分離裝置工作，多出的電量還可儲(chǔ)存進(jìn)箱內(nèi)放置的蓄電池當(dāng)中;在陰雨天氣情況下，光伏發(fā)電不足的電量將由蓄電池釋放儲(chǔ)存的電量來(lái)補(bǔ)充，經(jīng)測(cè)試，充滿電的蓄電池可供本裝置正常工作3天;若是出現(xiàn)較長(zhǎng)一段時(shí)間的陰雨天氣，在蓄電池電量消耗完后，改用市電供電，以保證設(shè)備正常工作，提高可靠性[5]。

3.4 ?酶解法的應(yīng)用

我們采用酶解法來(lái)處理回收的飲料并且在處理過(guò)后用于施肥增產(chǎn)，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益和資源利用率[6]。

市面上的飲料中所含有的大分子有機(jī)物是蛋白質(zhì)、纖維素以及糖類中的白砂糖和果葡糖漿。研究顯示，這些酶不會(huì)影響彼此的催化活性，因此結(jié)合使用這些酶即可十分方便地將飲料中的大分子有機(jī)物蛋白質(zhì)、纖維素以及糖類分解成單分子結(jié)構(gòu)的氨基酸、果糖和葡萄糖。它們均屬于小分子化合物，極易被植物的枝葉和根部吸收，故飲料在裝置中經(jīng)酶解過(guò)后可以用于施肥。

3.5 ?應(yīng)用場(chǎng)所

3.5.1 ?以冬奧為先導(dǎo)的大型會(huì)議、會(huì)展

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，2022年的冬奧會(huì)中滑雪場(chǎng)里的雪有兩種來(lái)源，一種是自然降雪，另外一種是造雪機(jī)造雪，據(jù)統(tǒng)計(jì)人造雪用量達(dá)到總用雪量的90%。在冬奧場(chǎng)館及其他會(huì)議會(huì)展大量投放“半瓶水”瓶水分離回收裝置可以收集大量的水資源及塑料資源，并就地應(yīng)用于滑雪場(chǎng)、冰球、冰壺場(chǎng)地建造，極大地節(jié)省了水資源。

3.5.2 ?以機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站為主體的公共場(chǎng)所

每天出入上海浦東、虹橋機(jī)場(chǎng)航站樓的客流量高達(dá)30余萬(wàn)人，被丟棄的半瓶水隨處可見(jiàn)，按每人每天一瓶礦泉水計(jì)算，一年用水量多達(dá)10 950萬(wàn)瓶。假設(shè)每人每天浪費(fèi)五分之一瓶礦泉水，那么一年就浪費(fèi)掉約2 190萬(wàn)瓶礦泉水。本文設(shè)計(jì)的智慧瓶水分離回收系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站等公共場(chǎng)所，為此呼吁大家節(jié)約用水，大力推廣“清瓶活動(dòng)”。

4 ?結(jié) ?論

我國(guó)人口數(shù)量大，水資源分布不均，供需矛盾突出，水資源利用率與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距，因此需要貫徹可持續(xù)發(fā)展的理念，認(rèn)識(shí)到節(jié)水節(jié)能的重要性，形成全社會(huì)節(jié)水的良好風(fēng)尚。當(dāng)前，供水不足成為阻礙許多城市快速發(fā)展的普遍問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的綠色冬奧下針對(duì)“半瓶水”浪費(fèi)問(wèn)題的智慧瓶水分離回收系統(tǒng)，主要分為投放傳輸模塊、分離壓縮模塊、儲(chǔ)存模塊和交互模塊。將用戶投放進(jìn)來(lái)的瓶裝水經(jīng)傳送帶運(yùn)送至叉式結(jié)構(gòu)鏈條穩(wěn)定地傳送至分離壓縮模塊后，電機(jī)控制錐板戳穿瓶身將水放出，同時(shí)完成塑料瓶體壓縮后托板傾斜，將塑料瓶投放至回收桶內(nèi)，裝置內(nèi)部全部采用防水材料，保證裝置安全運(yùn)行。裝置斜上方設(shè)有顯示屏，可以用來(lái)播放節(jié)水公益視頻及冬奧賽況，具有極好的市場(chǎng)前景與推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：王婉婷（2000—），女，漢族，吉林松原人，本科在讀，研究方向：新能源科學(xué)與工程（智能電網(wǎng)）;通訊作者：王鵬（1982—），男，漢族，山西大同人，助理研究員，碩士研究生，研究方向：智能電網(wǎng)、電力電子與電力傳動(dòng)。