譚媛媛，張瓊，2，李博宇，陽文燕，3，王睿博，溫文泰，黃波

1.南華大學 公共衛(wèi)生學院，湖南衡陽，421001；2.汕頭大學 醫(yī)學院，廣東汕頭，515063； 3.中南大學 湘雅公共衛(wèi)生學院，湖南長沙，410078；4.南華大學 電氣工程學院，湖南衡陽，421001； 5.南華大學 機械工程學院，湖南衡陽，421001；6.南華大學 公共衛(wèi)生學院，湖南衡陽，421001

0 引言

近些年來，隨著社會的不斷進步和農村經濟的不斷發(fā)展，農民的生活水平有了極大的提高，但與之而來產生的生活垃圾也逐漸增多。相關部門調查結果顯示，我國農村地區(qū)生活垃圾年產值已高達1.1億噸。但相比于城市生活垃圾處理，我國農村生活垃圾處理水平還相對落后。據(jù)統(tǒng)計，我國農村有近1/4的生活垃圾未能得到有效收集和處理，垃圾圍村、垃圾成山的現(xiàn)象依然還比較常見。農村垃圾處理問題不僅關系到千家萬戶的身體健康，而且還會影響農村的環(huán)境質量。因此為了建設美麗鄉(xiāng)村，就不能忽視農村的垃圾處理問題。

為響應黨的號召，政府在農村生活垃圾處理基礎設施的建設和投入使用上傾注了一定比例的人力、物力和財力。目前絕大部分農村已經配備了垃圾桶和垃圾收集池來處理垃圾，并安排了專門人員對垃圾進行運送?？杀M管如此，農村垃圾分類效果依舊不是很理想。一方面，這些垃圾桶和垃圾收集池都是單口的，不便于村民分類投放垃圾；另一方面，村里配備的垃圾桶和垃圾收集池數(shù)量有限，而且這些垃圾收集設施無法將飲料瓶這種體積偏大的生活垃圾與其他垃圾分開，不僅降低了垃圾桶和垃圾收集池本身的空間利用率，同時也給拾荒者分揀垃圾造成了很大的困難。

因此為解決普通民眾垃圾分類難、拾荒者垃圾分揀難及垃圾收集設備本身空間利用差等問題，本文設計了一種集垃圾分類、飲料瓶單獨分裝和應對不同天氣定時啟動設備的新型智能化干濕分離垃圾桶。該裝置的優(yōu)點在于，它不僅利用了時間繼電器配合馬達以驅動滾動篩軸來自動將垃圾進行分層放置；同時在垃圾桶的頂座上還設置了放置槽，能夠將飲料瓶放置在垃圾桶頂座的放置槽內，不僅節(jié)省了垃圾桶的空間，提高了垃圾桶的利用率，同時也方便拾荒者收集飲料瓶；此外，該裝置還克服了現(xiàn)有技術不足，通過運用云計算的功能，使該垃圾桶可應對不同天氣狀況定時啟動。

1 結構設計

1.1 垃圾桶裝置的整體設計

圖1為裝置的固定板主視圖（部分位置添加剖面線，表示內部結構），該機械裝置的外形為一長方體箱體，箱體1主要由第一儲存桶10和第二儲存桶18組成。圖2為垃圾桶裝置第一儲存桶主視圖的剖視圖，圖中第一支撐板（12）的左側面固定連接有控制盒（16），控制盒的內部固定連接有馬達（21），而馬達的輸出端與滾動篩軸（24）的左端固定連接，該滾動篩軸的篩孔直徑為80mm，每隔一個小時滾動一次，針對農村村民不會進行垃圾分類、垃圾分類效果差等問題，設計了可以通過滾動篩軸滾動的原理自動對不同種類垃圾進行干濕分類的垃圾桶[1]。

第一儲存桶的正面和第二儲存桶的正面均固定連接有把手3，每個把手3的外表面均布有防滑紋，方便清理垃圾。儲存桶的正面均固定連接有分類標簽14，兩個分類標簽可以區(qū)分干垃圾和濕垃圾，便于提示垃圾分類?？刂坪?6的正面通過螺釘、螺母固定連接有檢修板15，檢修板15的正面開設有散熱孔，方便進行檢修和散熱，頂座7的正面固定連接有收集標志9和反光貼11，第二支撐板6的右側面固定連接有煙頭收集盒4，方便在夜間警示，煙頭收集盒4便于收集標志9，頂座7的正面固定連接有反光貼11，第二支撐板6的右側面固定連接有煙頭收集盒4，能夠方便在夜間警示，煙頭收集盒4用于收集煙頭。

1.2 垃圾桶核心控制模塊設計

第一儲存桶為核心控制模塊，圖2為第一儲存桶主視圖的剖視圖，通過在第一儲存桶內部設置滾動篩軸，該滾動篩軸的篩孔直徑為80mm ，在馬達的配合下，能夠帶動滾動篩軸進行轉動，從而將大多數(shù)塑料、纖維和紙張等熱值高的垃圾留于上層，廚房垃圾和一些其他垃圾就會篩到下層，通過時間繼電器配合馬達，能夠定時啟動馬達，使?jié)L動篩軸每隔一小時滾動一次。

該裝置的工作原理是：首先將垃圾桶通過底座1和支撐塊2安裝固定在指定位置，將裝置接通電源，啟動斷路器19，操作控制時間繼電器22，使時間繼電器22每隔一小時啟動馬達21一次，使馬達21帶動滾動篩軸24滾動一次，將大多數(shù)塑料、纖維和紙張等熱值高的垃圾留于上層，廚房垃圾和一些其他垃圾就會篩到下層[2]。

同時，圖3為垃圾桶底座的俯視圖，利用頂座7上的放置槽26，能夠將飲料瓶放置在垃圾桶頂座7的放置槽26內，從而能夠將飲料瓶整齊地存儲在垃圾桶的外部，節(jié)省了垃圾桶的空間，同時也方便拾荒者進行收集塑料瓶。

2 總控制系統(tǒng)的設計與選型

本垃圾箱系統(tǒng)的主要功能為使用定時器定時發(fā)送電機信號，使電機能夠完成動態(tài)定時啟動來驅動滾動篩軸滾動一周，通過設置在頂座上的放置槽，將大多數(shù)塑料、纖維和紙張置于垃圾桶上層，通過分類槽能將塑料瓶自動排列于外部的放置槽內，將廚余垃圾和一些其他垃圾漏到下層，既節(jié)省了垃圾桶內空間，又可同時實現(xiàn)垃圾的分類與清理，同時為了實現(xiàn)智能化，本系統(tǒng)使用云服務對當前天氣以及季節(jié)狀況等進行計算，以實現(xiàn)對定時器的定時時間進行智能更改，且為了便于調試控制，在系統(tǒng)中添加了無線連接系統(tǒng)，使開發(fā)者可根據(jù)實際情況進行遠程調試。因此本系統(tǒng)主要由微控制器、WiFi模塊、無線傳輸器件以及帶編碼器的大扭矩電機組成[3-5]，其功能結構框圖如圖4所示。

對于本系統(tǒng)來說，需要具有較高精度的定時控制，因此筆者選擇了具有高時鐘頻率的STM32F4系列單片機作為主控制器，其內部具有168MHz的高頻率系統(tǒng)時鐘，可以很好地完成本系統(tǒng)的定時工作，同時其具有運算速度非?？?、接口豐富、外圍接口功能非常強大、程序模塊化、接口相對簡單等優(yōu)點，完全可以勝任本系統(tǒng)的工作。

在無線傳輸方面，本系統(tǒng)需要具有無線傳輸穩(wěn)定且功耗較低等特點，考慮到WiFi模塊的功耗較高，且傳輸不太穩(wěn)定，而BLE藍牙模塊可以滿足長達100m的無線傳輸，并同時具有功耗低的特點，可以擔任本系統(tǒng)的無線傳輸工作。因此本系統(tǒng)將采用HC-08藍牙模塊作為無線傳輸?shù)钠骷?/p>

在聯(lián)網模塊方面，本系統(tǒng)將采用帶有WiFi功能的ESP8266芯片進行聯(lián)網數(shù)據(jù)交互，其可以通過連接氣象服務器來對當前天氣與季節(jié)進行分析與計算，確定合適的電機轉動頻率。

在電機方面，由于本系統(tǒng)需要對電機的轉動位置信息進行讀取，因此需要編碼器來對電機的轉子位置進行讀取。因此筆者選擇了將電機驅動與編碼器集成一體化的C610無刷電機調速器與M2006 P36直流無刷減速電機，該電機的輸出最大轉速可達到500rpm，最大持續(xù)扭矩可達到1N·m，可支撐本系統(tǒng)在工作中轉動箱體內部的篩選蓋，以達到垃圾篩的目的。

3 程序系統(tǒng)設計框圖

本系統(tǒng)主要由無線藍牙模塊、電機以及電調模塊和主控芯片構成，因此確定了控制流程如圖5所示。

本系統(tǒng)的功能框圖如圖5所示。當系統(tǒng)啟動后，首先對各個模塊進行初始化，啟動各模塊，開始定時操作；當預定時間到達時，箱體內部的電機轉動一周，來對垃圾進行篩選操作?？紤]到不同季節(jié)以及天氣的影響，本系統(tǒng)將會對當前的天氣狀況進行讀取，經過天氣計算的算法來對不同的天氣狀況實施不同的垃圾分類頻率，實現(xiàn)智能化，當需要改變系統(tǒng)參數(shù)時，只需要通過藍牙發(fā)送相應指令，即可對系統(tǒng)參數(shù)進行更改。因此可以得到系統(tǒng)的程序流程如圖6所示。

4 裝置創(chuàng)新點

4.1 利用時間繼電器配合馬達以驅動滾動篩軸，自動對垃圾進行分層放置

本裝置克服了現(xiàn)有垃圾桶的不足，通過時間繼電器以定時啟動馬達，同時在馬達的帶動下，滾動篩軸能夠每隔一小時滾動一次，一方面將大多數(shù)塑料、纖維和紙張等熱值高的垃圾留于上層，同時廚房垃圾和一些其他垃圾就會漏到下層；另一方面，由于該新型智能垃圾桶的頂座上設置有放置槽，因此在滾動篩軸轉動的同時，還能夠將飲料瓶放置在垃圾桶頂座的放置槽內，從而使飲料瓶整齊地存儲在垃圾桶的外部，既節(jié)省了垃圾桶的空間，也方便拾荒者收集塑料瓶。

4.2 設計新穎，方便衛(wèi)生

本裝置第一、第二儲存桶的正面均固定連接有干垃圾和濕垃圾兩個分類標簽，可引導村民對垃圾進行分類投放。同時在垃圾桶頂座的正面固定連接有反光貼，極大地方便了村民去尋找垃圾桶。通過連接軸配合第一軸承和第二軸承，就能夠使第一儲存桶和第二儲存桶進行轉動，通過把手配合第一儲存桶和第二儲存桶，能夠將內部的垃圾倒出來進行統(tǒng)一處理。另外，在第一儲存桶和第二儲存桶正面把手的外表面均裝有防滑紋，可以防止環(huán)衛(wèi)工人在垃圾傾倒時因不小心而將垃圾倒到地上。此外，在垃圾桶底座的支撐塊上裝有防潮墊，可以防止垃圾桶底部由于過于潮濕而積累細菌。垃圾桶側面控制盒內的散熱孔可以及時將儲存桶內的溫度降至一個適宜的范圍，從而避免了細菌的過度繁殖。

4.3 安裝容易，維修便捷

該裝置只需要通過設置底座和支撐塊，就可以完成安裝，因此它不僅安裝容易，而且不受地域的限制。在垃圾桶控制盒的正面通過螺絲固定連接有檢修板，當出現(xiàn)故障時可以安排專業(yè)人員來進行維修。

4.4 利用云計算功能，根據(jù)天氣情況智能啟動垃圾桶

本裝置的控制系統(tǒng)使用云服務對當前天氣以及季節(jié)狀況等進行計算，可以對定時器的定時時間進行智能更改，同時可智能化地啟動該新型垃圾桶。同時，為了便于調試控制，還在系統(tǒng)中添加了無線連接系統(tǒng)，使開發(fā)者可根據(jù)實際情況進行遠程調試。

5 結語

本文對干濕分離垃圾桶裝置的主要結構、控制系統(tǒng)及優(yōu)點等做了詳細的介紹。該設計與其他設計相比，在干濕分離垃圾桶裝置的機械結構、分類方式、智能功能以及適用范圍等方面均有一定的先進性。該裝置通過時間繼電器以定時啟動馬達，同時在馬達的帶動下，80mm滾動篩軸能夠每隔一小時滾動一次，從而將大多數(shù)塑料、纖維和紙張等留于上層，廚余垃圾和其他垃圾漏到下層。同時為了實現(xiàn)智能化，本系統(tǒng)使用云服務對當前天氣以及季節(jié)狀況等進行計算。

同時，該設計在機械裝置的設計上有一定高度的創(chuàng)新。由于該新型智能垃圾桶的頂座上設置有放置槽，因此在滾動篩軸轉動的同時，還能夠將飲料瓶放置在垃圾桶頂座的放置槽內，從而使飲料瓶整齊地存儲在垃圾桶的外部，既充分節(jié)省了垃圾桶的空間，也方便拾荒者收集塑料瓶。此外，裝置成本低廉、使用起來簡易快捷，且便于實現(xiàn)農村垃圾干濕垃圾自動分類，為現(xiàn)有的垃圾桶不能實現(xiàn)自動分類、不能夠單獨存放飲料瓶、農村分類回收效果較差等問題提供了一個有效的解決方案。