一种干湿分离垃圾桶装置的研究

谭媛媛，张琼，2，李博宇，阳文燕，3，王睿博，温文泰，黄波

1.南华大学 公共卫生学院，湖南衡阳，421001；2.汕头大学 医学院，广东汕头，515063； 3.中南大学 湘雅公共卫生学院，湖南长沙，410078；4.南华大学 电气工程学院，湖南衡阳，421001； 5.南华大学 机械工程学院，湖南衡阳，421001；6.南华大学 公共卫生学院，湖南衡阳，421001

0 引言

近些年来，随着社会的不断进步和农村经济的不断发展，农民的生活水平有了极大的提高，但与之而来产生的生活垃圾也逐渐增多。相关部门调查结果显示，我国农村地区生活垃圾年产值已高达1.1亿吨。但相比于城市生活垃圾处理，我国农村生活垃圾处理水平还相对落后。据统计，我国农村有近1/4的生活垃圾未能得到有效收集和处理，垃圾围村、垃圾成山的现象依然还比较常见。农村垃圾处理问题不仅关系到千家万户的身体健康，而且还会影响农村的环境质量。因此为了建设美丽乡村，就不能忽视农村的垃圾处理问题。

为响应党的号召，政府在农村生活垃圾处理基础设施的建设和投入使用上倾注了一定比例的人力、物力和财力。目前绝大部分农村已经配备了垃圾桶和垃圾收集池来处理垃圾，并安排了专门人员对垃圾进行运送。可尽管如此，农村垃圾分类效果依旧不是很理想。一方面，这些垃圾桶和垃圾收集池都是单口的，不便于村民分类投放垃圾；另一方面，村里配备的垃圾桶和垃圾收集池数量有限，而且这些垃圾收集设施无法将饮料瓶这种体积偏大的生活垃圾与其他垃圾分开，不仅降低了垃圾桶和垃圾收集池本身的空间利用率，同时也给拾荒者分拣垃圾造成了很大的困难。

因此为解决普通民众垃圾分类难、拾荒者垃圾分拣难及垃圾收集设备本身空间利用差等问题，本文设计了一种集垃圾分类、饮料瓶单独分装和应对不同天气定时启动设备的新型智能化干湿分离垃圾桶。该装置的优点在于，它不仅利用了时间继电器配合马达以驱动滚动筛轴来自动将垃圾进行分层放置；同时在垃圾桶的顶座上还设置了放置槽，能够将饮料瓶放置在垃圾桶顶座的放置槽内，不仅节省了垃圾桶的空间，提高了垃圾桶的利用率，同时也方便拾荒者收集饮料瓶；此外，该装置还克服了现有技术不足，通过运用云计算的功能，使该垃圾桶可应对不同天气状况定时启动。

1 结构设计

1.1 垃圾桶装置的整体设计

图1为装置的固定板主视图（部分位置添加剖面线，表示内部结构），该机械装置的外形为一长方体箱体，箱体1主要由第一储存桶10和第二储存桶18组成。图2为垃圾桶装置第一储存桶主视图的剖视图，图中第一支撑板（12）的左侧面固定连接有控制盒（16），控制盒的内部固定连接有马达（21），而马达的输出端与滚动筛轴（24）的左端固定连接，该滚动筛轴的筛孔直径为80mm，每隔一个小时滚动一次，针对农村村民不会进行垃圾分类、垃圾分类效果差等问题，设计了可以通过滚动筛轴滚动的原理自动对不同种类垃圾进行干湿分类的垃圾桶[1]。

第一储存桶的正面和第二储存桶的正面均固定连接有把手3，每个把手3的外表面均布有防滑纹，方便清理垃圾。储存桶的正面均固定连接有分类标签14，两个分类标签可以区分干垃圾和湿垃圾，便于提示垃圾分类。控制盒16的正面通过螺钉、螺母固定连接有检修板15，检修板15的正面开设有散热孔，方便进行检修和散热，顶座7的正面固定连接有收集标志9和反光贴11，第二支撑板6的右侧面固定连接有烟头收集盒4，方便在夜间警示，烟头收集盒4便于收集标志9，顶座7的正面固定连接有反光贴11，第二支撑板6的右侧面固定连接有烟头收集盒4，能够方便在夜间警示，烟头收集盒4用于收集烟头。

1.2 垃圾桶核心控制模块设计

第一储存桶为核心控制模块，图2为第一储存桶主视图的剖视图，通过在第一储存桶内部设置滚动筛轴，该滚动筛轴的筛孔直径为80mm ，在马达的配合下，能够带动滚动筛轴进行转动，从而将大多数塑料、纤维和纸张等热值高的垃圾留于上层，厨房垃圾和一些其他垃圾就会筛到下层，通过时间继电器配合马达，能够定时启动马达，使滚动筛轴每隔一小时滚动一次。

该装置的工作原理是：首先将垃圾桶通过底座1和支撑块2安装固定在指定位置，将装置接通电源，启动断路器19，操作控制时间继电器22，使时间继电器22每隔一小时启动马达21一次，使马达21带动滚动筛轴24滚动一次，将大多数塑料、纤维和纸张等热值高的垃圾留于上层，厨房垃圾和一些其他垃圾就会筛到下层[2]。

同时，图3为垃圾桶底座的俯视图，利用顶座7上的放置槽26，能够将饮料瓶放置在垃圾桶顶座7的放置槽26内，从而能够将饮料瓶整齐地存储在垃圾桶的外部，节省了垃圾桶的空间，同时也方便拾荒者进行收集塑料瓶。

2 总控制系统的设计与选型

本垃圾箱系统的主要功能为使用定时器定时发送电机信号，使电机能够完成动态定时启动来驱动滚动筛轴滚动一周，通过设置在顶座上的放置槽，将大多数塑料、纤维和纸张置于垃圾桶上层，通过分类槽能将塑料瓶自动排列于外部的放置槽内，将厨余垃圾和一些其他垃圾漏到下层，既节省了垃圾桶内空间，又可同时实现垃圾的分类与清理，同时为了实现智能化，本系统使用云服务对当前天气以及季节状况等进行计算，以实现对定时器的定时时间进行智能更改，且为了便于调试控制，在系统中添加了无线连接系统，使开发者可根据实际情况进行远程调试。因此本系统主要由微控制器、WiFi模块、无线传输器件以及带编码器的大扭矩电机组成[3-5]，其功能结构框图如图4所示。

对于本系统来说，需要具有较高精度的定时控制，因此笔者选择了具有高时钟频率的STM32F4系列单片机作为主控制器，其内部具有168MHz的高频率系统时钟，可以很好地完成本系统的定时工作，同时其具有运算速度非常快、接口丰富、外围接口功能非常强大、程序模块化、接口相对简单等优点，完全可以胜任本系统的工作。

在无线传输方面，本系统需要具有无线传输稳定且功耗较低等特点，考虑到WiFi模块的功耗较高，且传输不太稳定，而BLE蓝牙模块可以满足长达100m的无线传输，并同时具有功耗低的特点，可以担任本系统的无线传输工作。因此本系统将采用HC-08蓝牙模块作为无线传输的器件。

在联网模块方面，本系统将采用带有WiFi功能的ESP8266芯片进行联网数据交互，其可以通过连接气象服务器来对当前天气与季节进行分析与计算，确定合适的电机转动频率。

在电机方面，由于本系统需要对电机的转动位置信息进行读取，因此需要编码器来对电机的转子位置进行读取。因此笔者选择了将电机驱动与编码器集成一体化的C610无刷电机调速器与M2006 P36直流无刷减速电机，该电机的输出最大转速可达到500rpm，最大持续扭矩可达到1N·m，可支撑本系统在工作中转动箱体内部的筛选盖，以达到垃圾筛的目的。

3 程序系统设计框图

本系统主要由无线蓝牙模块、电机以及电调模块和主控芯片构成，因此确定了控制流程如图5所示。

本系统的功能框图如图5所示。当系统启动后，首先对各个模块进行初始化，启动各模块，开始定时操作；当预定时间到达时，箱体内部的电机转动一周，来对垃圾进行筛选操作。考虑到不同季节以及天气的影响，本系统将会对当前的天气状况进行读取，经过天气计算的算法来对不同的天气状况实施不同的垃圾分类频率，实现智能化，当需要改变系统参数时，只需要通过蓝牙发送相应指令，即可对系统参数进行更改。因此可以得到系统的程序流程如图6所示。

4 装置创新点

4.1 利用时间继电器配合马达以驱动滚动筛轴，自动对垃圾进行分层放置

本装置克服了现有垃圾桶的不足，通过时间继电器以定时启动马达，同时在马达的带动下，滚动筛轴能够每隔一小时滚动一次，一方面将大多数塑料、纤维和纸张等热值高的垃圾留于上层，同时厨房垃圾和一些其他垃圾就会漏到下层；另一方面，由于该新型智能垃圾桶的顶座上设置有放置槽，因此在滚动筛轴转动的同时，还能够将饮料瓶放置在垃圾桶顶座的放置槽内，从而使饮料瓶整齐地存储在垃圾桶的外部，既节省了垃圾桶的空间，也方便拾荒者收集塑料瓶。

4.2 设计新颖，方便卫生

本装置第一、第二储存桶的正面均固定连接有干垃圾和湿垃圾两个分类标签，可引导村民对垃圾进行分类投放。同时在垃圾桶顶座的正面固定连接有反光贴，极大地方便了村民去寻找垃圾桶。通过连接轴配合第一轴承和第二轴承，就能够使第一储存桶和第二储存桶进行转动，通过把手配合第一储存桶和第二储存桶，能够将内部的垃圾倒出来进行统一处理。另外，在第一储存桶和第二储存桶正面把手的外表面均装有防滑纹，可以防止环卫工人在垃圾倾倒时因不小心而将垃圾倒到地上。此外，在垃圾桶底座的支撑块上装有防潮垫，可以防止垃圾桶底部由于过于潮湿而积累细菌。垃圾桶侧面控制盒内的散热孔可以及时将储存桶内的温度降至一个适宜的范围，从而避免了细菌的过度繁殖。

4.3 安装容易，维修便捷

该装置只需要通过设置底座和支撑块，就可以完成安装，因此它不仅安装容易，而且不受地域的限制。在垃圾桶控制盒的正面通过螺丝固定连接有检修板，当出现故障时可以安排专业人员来进行维修。

4.4 利用云计算功能，根据天气情况智能启动垃圾桶

本装置的控制系统使用云服务对当前天气以及季节状况等进行计算，可以对定时器的定时时间进行智能更改，同时可智能化地启动该新型垃圾桶。同时，为了便于调试控制，还在系统中添加了无线连接系统，使开发者可根据实际情况进行远程调试。

5 结语

本文对干湿分离垃圾桶装置的主要结构、控制系统及优点等做了详细的介绍。该设计与其他设计相比，在干湿分离垃圾桶装置的机械结构、分类方式、智能功能以及适用范围等方面均有一定的先进性。该装置通过时间继电器以定时启动马达，同时在马达的带动下，80mm滚动筛轴能够每隔一小时滚动一次，从而将大多数塑料、纤维和纸张等留于上层，厨余垃圾和其他垃圾漏到下层。同时为了实现智能化，本系统使用云服务对当前天气以及季节状况等进行计算。

同时，该设计在机械装置的设计上有一定高度的创新。由于该新型智能垃圾桶的顶座上设置有放置槽，因此在滚动筛轴转动的同时，还能够将饮料瓶放置在垃圾桶顶座的放置槽内，从而使饮料瓶整齐地存储在垃圾桶的外部，既充分节省了垃圾桶的空间，也方便拾荒者收集塑料瓶。此外，装置成本低廉、使用起来简易快捷，且便于实现农村垃圾干湿垃圾自动分类，为现有的垃圾桶不能实现自动分类、不能够单独存放饮料瓶、农村分类回收效果较差等问题提供了一个有效的解决方案。