绿色冬奥下针对半瓶水浪费问题的智慧瓶水分离回收系统

王婉婷 王鹏

摘  要：针对乘客、参会人员随手丢弃“半瓶水”这一浪费现象，研发一款智慧瓶水分离回收系统，该系统可通过卷积神经网络对瓶装矿泉水和饮料的水瓶与剩余的液体进行智能识别分类，实现分离回收，同时利用酶解法将饮料中的糖分分解为小分子有机物，制作成肥料，实现能源的循环利用。面对直流无刷电机在运行过程中产生的噪声干扰，在直流无刷电机控制系统中引入PID控制器;利用物联网技术将数据传输到终端，结合大数据将某地区某时段的“半瓶水”浪费现象形成用户画像，以此指导瓶装水分发、售卖，实现智慧瓶水分离回收。

关键词：半瓶水浪费;智慧瓶水分离回收系统;STM32F4

中图分类号：TP368      文献标识码：A文章编号：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

瓶裝水是达到饮用标准的一级水，集中收集后的水经过简单的消毒处理即可达到泳池等娱乐用水标准。2022年冬奥会中的冰球、冰壶项目场地建造需要大量的水资源，智慧瓶水分离回收系统可以为国家冬奥会收集被丢弃的瓶装水，经过处理后用作他途，在很大程度上减少了水资源的浪费。我国每年召开各种会议，大量使用瓶装矿泉水，会议结束后被丢弃的半瓶水随处可见。为积极响应国家绿色冬奥的号召，本文设计了可解决“半瓶水”浪费问题的智慧瓶水分离回收系统，该系统能够解决大型集会中无人认领瓶装水的资源浪费问题，将矿泉水瓶与饮用水分类回收，减少人工回收时的低效及水资源的浪费，在实现智能回收的同时还能呼吁大家重视生活中点点滴滴的水资源，推广“清瓶活动”。

1  设计方案

1.1  机械结构

红外传感器检测到有瓶子投放至系统时，传送带机构开始运作，电机带动联轴器及光轴运动使履带开始绕光轴运动，瓶子通过传送带落入链轮机构30°爪上，电机带动轴承及轴承上的链轮，使链条及爪向上运动，将水瓶竖直抬升。水瓶到达最高点后，由瓶水分离机构和链轮爪相啮合的倾斜台面接住，水瓶从斜面滚入瓶水分离机构。电机带动主动轴旋转，主动轴上固定的链轮机构带动轴以相等的速度旋转，保证丝杠上基于法兰盘链接的平面竖直向下移动。

如图1所示，瓶水分离机构从上往下共有3个平面：A为可上下移动的带锥压力板、B为废瓶防粘机构、C为可左右移动的带孔压力板，丝杠控制B板扎破并压缩瓶子，尖锥上有凹槽，防止空气压力过大对机械结构工作造成影响;瓶中水通过C板圆孔流入收集漏斗过滤储存;将瓶子压扁扎穿后丝杠逆向旋转B板向上移动，防止瓶子扎穿后留在B板上，A板穿过B板间隙小孔将遗留瓶子推下进入塑料瓶收集桶，C板下降回到原来的位置。

最后在水箱中设置水位监测程序，不但能够提醒工作人员及时回收集中水资源，同时也能提升更多人节约水资源的意识。

用户将瓶装水从投放口投放后，水平传送带将矿泉水瓶运送至链条，链条上的六齿不锈钢叉与水平传送带呈30°倾斜角，垂直链条工作区入口是六齿不锈钢叉与工作台构成的倾斜角为40°的斜坡，矿泉水瓶经过该斜坡滚动到工作区，如图2所示。

如图3所示，矿泉水瓶通过与链条上的爪子相啮合的两个爪子滚动至工作台后，电机通过链条带动两个丝杠上的椎板向下移动，戳破矿泉水瓶，瓶子中的水通过过滤系统进入水箱，同时完成对矿泉水瓶的压缩。锥板向上移动时，锥板上的两个钩子带动工作台，使其向一侧倾斜将压缩过的瓶子运送至塑料瓶收集箱中，锥板向上移动至一定高度后工作台回落到初始位置。

1.2  控制系统

5G云智慧“半瓶水”分离回收系统采用锂离子蓄电池与市电互补的双供电系统，正常情况下选用开关电源变压器，将220 V 50 Hz交流电降压整流成24 V直流电为设备供电;在意外断电的情况下，系统内置的24 V锂离子蓄电池可维持系统的正常运转。系统选用STM32F4作为主控制器，动作器采用M3508直流无刷减速电机，速度控制闭环系统精确控制转速和位置。如图4所示，投放传输模块采用E3F-DS30C4漫反射式红外线感应光电开关传感器，实现对投入瓶数的统计，向主控制器交互数量反馈;FS-IR02液位传感器，基于红外光学原理，检测水位高低并输出相应的模拟信号，实现对储水区内水位高低的检测，向主控制器交互水量反馈，实现智慧瓶水分离回收。

系统通过红外光电传感器统计进入装置的瓶子个数，在收集到系统设定数量的瓶子后，电机带动链条传送瓶子至压缩区，借助丝杆使椎板下降，压缩并刺破瓶身，最后推板运作，瓶水分离。装置使用M3508直流无刷电机与C620电调，电调与STM32F4控制板通过CAN协议通信，电调可以实时反馈电机的转速以及位置的高、低八位共十六位数据，控制板解析数据后，结合基于PID算法的位置环与电流环闭环控制，将目标值传输给电调解码后控制电机运转，这样可以精确控制电机的转速与位置，实现瓶子的转送、压缩装置、推板的运行。

1.3  识别系统

由于市场上水的种类繁多，饮料与矿泉水不能混合回收，很多人无法做到正确投放水瓶，需要人为识别液体的种类，于是我们设计了基于卷积神经网络的物联网智能水瓶分类装置。系统可以进行高效的分类，使人们不必考虑所扔水瓶的种类[1]。

本文提出的基于卷积神经网络的智能水瓶分类装置，只需将水瓶从投放口放入便可调用摄像头对其拍照，使用OpenCV图像识别算法对水瓶进行分类，准确度可达99%，通过舵机带动机械结构自主将水瓶分类投放至对应箱体，实现矿泉水与饮料的分离回收，酶解法将饮料分解成有机肥料，矿泉水回收利用，并通过语音播报模块及显示屏提示水的类别名称、数量及满载情况，极大地节省了后期处理所需的人力、物力，减少了资源消耗，提高了回收利用率。

本系統内置的5G通信模块，通过物联网技术感知和传输数据、分析处理信息、使数据可视化，实现水瓶分类、瓶水分离回收、饮料糖分分解利用、控制与分析的智能化。

2  理论设计计算

本系统针对直流无刷电机在运行过程中面临的干扰问题，在直流无刷电机控制系统中引入了PID控制器。

闭环速度调节器采用比例积分微分控制，直流电机转速公式为：

（1）

直流电机的转速是由定子磁场强度、转子线圈匝数及供电电压等共同决定的，电枢电压增加，转速也相应增加，这就构成了PID调节的基础。相应的公式为：

（2）

（3）

直流电机的速度理论值变化时，它的实际速度也将发生变化，造成阶跃响应增大，电机的速度增加[2]，若要使其增长速度减慢，就需要限制它的控制量。相应的公式为：

（4）

（5）

（6）

本系统采用的解决方法是：优化PID参数和PID算法，结合变速积分来精确控制直流电机的转速，增大无阻尼自然振荡频率，减少延迟时间。

3  结论及研究实践意义

3.1  塑料瓶、水双项回收

相较于以往的饮料瓶回收机仅能收集塑料瓶，我们的设备可以将塑料瓶和水分类回收，并将饮料中的糖分用酶解法分解为小分子有机物用作肥料，同时完成瓶子压缩。据专业人士介绍，每1吨瓶装水，一般需耗费1.3吨原水。瓶装水的水质达到饮用水水质标准，相较于塑料瓶更具回收利用的价值[3]。

3.2  物联网及大数据应用

如图5所示，本系统内置5G通信模块，通过物联网技术可远程升级固件、更新视频等。还可将系统自身收集到的数据实时传输给客户终端，将区域内“半瓶水”浪费情况生成数据，进而方便管理人员分析该区域用水情况，亦可提供数据给商业公司指导其市场行为[4]。

3.3  太阳能与市电的应用

本装置创造性地使用太阳能与市电双供电系统，在正常天气情况下，该装置所需电量可完全由光伏发电提供，不需要消耗市电;在光照强度好的天气情况下，光伏发电所产生的电量不仅能供给该瓶水分离装置工作，多出的电量还可储存进箱内放置的蓄电池当中;在阴雨天气情况下，光伏发电不足的电量将由蓄电池释放储存的电量来补充，经测试，充满电的蓄电池可供本装置正常工作3天;若是出现较长一段时间的阴雨天气，在蓄电池电量消耗完后，改用市电供电，以保证设备正常工作，提高可靠性[5]。

3.4  酶解法的应用

我们采用酶解法来处理回收的饮料并且在处理过后用于施肥增产，极大地提高了经济效益和资源利用率[6]。

市面上的饮料中所含有的大分子有机物是蛋白质、纤维素以及糖类中的白砂糖和果葡糖浆。研究显示，这些酶不会影响彼此的催化活性，因此结合使用这些酶即可十分方便地将饮料中的大分子有机物蛋白质、纤维素以及糖类分解成单分子结构的氨基酸、果糖和葡萄糖。它们均属于小分子化合物，极易被植物的枝叶和根部吸收，故饮料在装置中经酶解过后可以用于施肥。

3.5  应用场所

3.5.1  以冬奥为先导的大型会议、会展

根据有关数据，2022年的冬奥会中滑雪场里的雪有两种来源，一种是自然降雪，另外一种是造雪机造雪，据统计人造雪用量达到总用雪量的90%。在冬奥场馆及其他会议会展大量投放“半瓶水”瓶水分离回收装置可以收集大量的水资源及塑料资源，并就地应用于滑雪场、冰球、冰壶场地建造，极大地节省了水资源。

3.5.2  以机场、火车站为主体的公共场所

每天出入上海浦东、虹桥机场航站楼的客流量高达30余万人，被丢弃的半瓶水随处可见，按每人每天一瓶矿泉水计算，一年用水量多达10 950万瓶。假设每人每天浪费五分之一瓶矿泉水，那么一年就浪费掉约2 190万瓶矿泉水。本文设计的智慧瓶水分离回收系统可以广泛应用于机场、火车站等公共场所，为此呼吁大家节约用水，大力推广“清瓶活动”。

4  结  论

我国人口数量大，水资源分布不均，供需矛盾突出，水资源利用率与国际先进水平存在较大差距，因此需要贯彻可持续发展的理念，认识到节水节能的重要性，形成全社会节水的良好风尚。当前，供水不足成为阻碍许多城市快速发展的普遍问题，本文设计的绿色冬奥下针对“半瓶水”浪费问题的智慧瓶水分离回收系统，主要分为投放传输模块、分离压缩模块、储存模块和交互模块。将用户投放进来的瓶装水经传送带运送至叉式结构链条稳定地传送至分离压缩模块后，电机控制锥板戳穿瓶身将水放出，同时完成塑料瓶体压缩后托板倾斜，将塑料瓶投放至回收桶内，装置内部全部采用防水材料，保证装置安全运行。装置斜上方设有显示屏，可以用来播放节水公益视频及冬奥赛况，具有极好的市场前景与推广价值。

参考文献：

[1] 林森，刘志东，吕庆军.基于STM32的PID算法控制直流电机系统设计 [J].產业与科技论坛，2017，16（2）：78-79.

[2] 马艳，韩佳，刘晓艳.基于模糊PID算法的无刷直流电机转速控制研究 [J].自动化与仪器仪表，2018（3）：35-37+41.

[3] 英国将实施饮料瓶回收计划 [J].环境监控与预警，2018，10（3）：17.

[4] 钟鑫波，王嘉琦.基于物联网技术的智能饮料瓶回收机的应用分析 [J].科技资讯，2018，16（13）：1-2.

[5] 周栋敏，郝静雅.论智能化在废品分类回收机中的设计研究 [J].科技视界，2019（35）：9-10.

[6] 郭师绪.瓶装水市场：“楚汉争霸”中的第三极雏形初现 [J].新产经，2019（7）：88-90.

作者简介：王婉婷（2000—），女，汉族，吉林松原人，本科在读，研究方向：新能源科学与工程（智能电网）;通讯作者：王鹏（1982—），男，汉族，山西大同人，助理研究员，硕士研究生，研究方向：智能电网、电力电子与电力传动。