水上漂浮垃圾终结者设计①

高 泽, 史立秋, 包至卉

(浙江水利水电学院、机械与汽车工程学院,浙江 杭州 310018)

0 引 言

目前,水上漂浮物污染事件接连发生,漂浮污染物破坏生态的同时也阻碍了城市的发展建设,严重危害了生物的生命安全[1-4]。漂浮在水面上的垃圾是指海洋、河岸和内陆河流上的可持续的、人为的或经过处理的固体废弃物,根据区域不同,可分为漂浮的海洋废物和漂浮的河流废物。漂浮垃圾引起的环境问题日益突出,现如今国内面对水上漂浮垃圾的问题针对措施大部分停留在人工打捞的方式,而人工打捞又存在效率低、成本高、无法做到24小时高强度工作、而且在一些危险的水域还有可能发生人员坠落水域的安全隐患的问题,人工打捞不是长久之计[5-9]。研制一款低廉、节能、环保、高效、省力的漂浮垃圾收集装置迫在眉睫。

1 水上漂浮垃圾终结者总体方案设计

涉及的是狭义的水域垃圾,即为近海和内陆水域的水域垃圾。针对的漂浮垃圾主要是较大固体垃圾而非油脂和细小的固体塑料。

(1)收集方式的设计

由于水上漂浮垃圾终结者的设计针对的是水流较缓的水域,这些水域的漂浮垃圾会受风和水流的作用集中在岸边,所以装置主要安装在岸边的固定位置。且收集装置和动力装置是分离的,动力装置由太阳能水泵、太阳能光伏板和蓄电池组成,安装在岸边,收集装置是有一个桶状的垃圾收集桶和网状的垃圾收集袋组成,安装在水中垃圾袋可以再垃圾满的时候与垃圾桶分离,是一种比较新颖的垃圾回收装置。

(2)动力方案的设计

动力装置是装置运行不可或缺的重要组成部分,在动力装置的选择上有蓄电池、太阳能、柴油机和汽油机,蓄电池的优点是无噪音、零污染、对水体不会造成污染但是续航能力不足,不能支持装置长时间运行,太阳能的优点显而易见无污染节能。但是也有个不足,太阳能作为动力装置非常依赖白天晴朗天气,一到晚上就无法为装置提供动力。柴油机有功率高、寿命长、易于保养。缺点是体积大、噪声大、消耗不可再生能源。汽油机的优点是功率中等、振动小、噪声比柴油机小、运行稳定。缺点是燃油消耗过大,不符合节能环保的理念。本设计本着节能环保的理念,在动力方案的设计上将太阳能和蓄电池的优缺点互补采用太阳能水泵作为动力装置,太阳能光伏板白天工作保障太阳能水泵的持续工作并且为蓄电池充电。到了晚上蓄电池放电支持太阳能水泵24小时不间断工作。

(3)辅助功能的设计

水上漂浮垃圾终结者硬件电路主要由单片机,GPRS传输模块,GPS传感器、位置传感器、陀螺仪传感器、电压检测电路和LM2596稳压模块组成。

(4)整体方案的设计

经过Solid Works三维软件的建模装配,得到的设计方案如图1所示。水上漂浮垃圾终结者由主体垃圾桶、垃圾袋、管道、报警灯、太阳能水泵、滤过网等组成,通过太阳能水泵的持续运转,将主体垃圾桶中的水抽出形成水域水面与垃圾桶内水面的液面差,让水源源不断的从水域流向垃圾桶内。并且将水面上漂浮的垃圾一起带入垃圾桶中,经过垃圾袋的过滤作用,将垃圾收集在垃圾袋中。水则经过水泵的循环作用重新进入水域从而实现清理水面垃圾的作用。辅助功能的硬件部分全部安装在垃圾桶主体宽4cm 的筒壁中,报警灯安装在桶口以上显眼位置处。

图1 水上漂浮垃圾终结者总体方案

2 基于VB 的辅助功能系统和监控系统设计

为了让装置的辅助功能更好的工作,还需要设计一个基于Visual Basic辅助功能的监控界面,便于水域管理员不用跑到相关水域在管理室内就能随时监控水域的漂浮垃圾终结者的运行情况[10]。针对不同的辅助功能我们设计了不同的监控警报功能。

(1)倾覆报警

倾覆报警,用到的是陀螺仪模块,陀螺仪模块输出的电信号转化成角度值,当检测到的倾覆角度大于预设的角度时,蓝色报警灯发出常亮的灯光,在水上漂浮垃圾桶的警报灯中蓝色灯发光。报警灯功能与倾覆角度如图2所示。

图2 蓝色倾覆报警灯指示

(2)垃圾量显示

垃圾量的显示通过超声波传感器的感应将垃圾的收集高度通过计算后,通过GPRS 信号传输模块传输到管理界面显示在垃圾量的显示进度条和文本框上,在收集的过程中且垃圾量未到达提醒值时垃圾指示灯绿色闪烁如图3所示,当垃圾收集到预设的指定值时垃圾收集的提醒灯发出黄色的持续灯光,提醒管理员进行清理垃圾和更换垃圾袋如图2所示。

图3 收集垃圾绿色灯闪烁

(3)水泵故障报警

水泵的故障报警是通过连接在水泵电机两端的电压检测模块输出的数据进行的一种等效警报功能,水泵在正常工作的时候的两端电压是处于一定范围内的,当两端的电压浮动超出正常值的时候,系统发出水泵故障报警并且切断水泵供电,指示灯红色常亮。提醒管理员前去检查和维修水泵如图4所示。

图4 水泵故障警报

(4)实时监控功能

实时监控功能是将水域的摄像头的信号通过GPRS信号传输将视频信号接入管理界面。这样能够全方位的在线监控水域垃圾收集情况如图5所示。

图5 监控画面

3 结 论

根据漂浮垃圾的特点设计了一款水上垃圾收集装置,由主体垃圾桶、垃圾袋、管道、报警灯、太阳能水泵、滤过网等组成,通过太阳能水泵的持续运转,将主体垃圾桶中的水抽出形成水域水面与垃圾桶内水面的液面差,让水源源不断的从水域流向垃圾桶内。并且将水面上漂浮的垃圾一起带入垃圾桶中,经过垃圾袋的过滤作用,将垃圾收集在垃圾袋中。水则经过水泵的循环作用重新进入水域丛而实现清理水面垃圾的作用。辅助功能的硬件部分全部安装在垃圾桶主体宽4cm 的筒壁中,报警灯安装在桶口以上显眼位置处。并利用Visual Basic软件设计了辅助功能的监控界面,便于水域管理员不用跑到相关水域在管理室内就能随时的监控水域的漂浮垃圾终结者的运行情况,大大提高收集的效率,让管理员能够在管理室内进行水域的有效监控,大大减轻了人的劳动量。