多功能煙頭收集器的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

煙蒂即煙頭,是紙煙吸到最后剩下的部分,包括濾嘴和殘留的未燃燒的香煙段。煙蒂等廢棄物數(shù)量龐大,其產(chǎn)生量與煙支消費(fèi)量呈正比,每年全球煙支消費(fèi)約252萬(wàn)億支,可產(chǎn)生煙蒂約.75.t,僅中國(guó)每年就超過(guò)了158億支。世界衛(wèi)生組織指出,到1012年,全球煙民人數(shù)將升至1.億人以上。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局提供的最新數(shù)據(jù),1011年全國(guó)卷煙產(chǎn)量為1418154億支。巨大的煙支產(chǎn)量必然產(chǎn)生大量煙蒂,這些煙蒂被隨意丟棄,進(jìn)入市政管網(wǎng),易發(fā)生堵塞,其毒性可能對(duì)污水處理廠的微生物有一定的抑制作用,會(huì)降低污水處理廠的處理效率。另外,丟棄的煙蒂容易引起火災(zāi),香煙點(diǎn)燃后的溫度比有些固體可燃物的燃點(diǎn)溫度高出1~3倍,因此,未熄滅的煙頭足以引起火災(zāi)。

煙頭的回收利用,不僅可以減少環(huán)境污染,而且可以從廢棄煙頭中提取煙堿、茄尼醇和醋酸纖維等物質(zhì)另作他用。煙蒂的回收、處理和管理一直是一個(gè)難題,一方面需加強(qiáng)市民對(duì)煙頭回收利用的認(rèn)識(shí),另一方面可開發(fā)煙頭收集器,以提高煙蒂的收集效率。如果能設(shè)計(jì)一款外形美觀的多功能煙頭收集器,實(shí)現(xiàn)煙頭的自動(dòng)計(jì)數(shù),并自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器,則有利于管理人員合理布置煙頭收集器的位置,對(duì)城市的環(huán)境保護(hù)和新型智慧城市的建設(shè)具有積極意義。文獻(xiàn)對(duì)戶外分類垃圾箱上配置的煙蒂收集器進(jìn)行了優(yōu)化,基于連桿原理設(shè)計(jì)了新型煙蒂收集器:文獻(xiàn)分析了建設(shè)智能化吸煙區(qū)的總體設(shè)想、核心技術(shù)及實(shí)現(xiàn)路徑:文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種煙頭收集裝置,可實(shí)現(xiàn)煙頭數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計(jì)。

本文以實(shí)現(xiàn)煙蒂的計(jì)數(shù)功能和數(shù)據(jù)上傳功能為目的,采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行垃圾桶機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用不銹鋼材質(zhì)進(jìn)行煙頭收集器機(jī)械部件的加工安裝,基于傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)煙蒂投放次數(shù)和點(diǎn)煙次數(shù)的統(tǒng)計(jì),基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和客戶端實(shí)時(shí)查詢功能,并應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)解決煙頭收集器的日常用電問(wèn)題。

1總體技術(shù)路線

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要合理布置收集器內(nèi)各個(gè)部件的位置,解決太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化并與其他部件之間進(jìn)行能量傳輸和利用的問(wèn)題。同時(shí),結(jié)合無(wú)線通信技術(shù),利用PLC編程開發(fā)程序,實(shí)現(xiàn)煙頭收集器的各項(xiàng)智能功能。

利用三維設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)了多功能煙頭收集器,其三維模型的正面如圖1所示。收集器主體為正六邊形結(jié)構(gòu),總高度1100mm,剖面六邊形邊長(zhǎng)為110mm:頂部為斜面,與水平面夾角為27°:LED屏幕大小為177mm×101mm,光伏板1尺寸為170mm×1.0mm,光伏板1、3、4尺寸均為700mm×170mm。收集器三維結(jié)構(gòu)背面如圖1所示,旋轉(zhuǎn)門在打開狀態(tài),內(nèi)桶(收集桶)為直徑120mm的圓柱殼體。

多功能煙頭收集器的整體結(jié)構(gòu)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、供電系統(tǒng)和電路控制模塊。其中,機(jī)械結(jié)構(gòu)包括外桶、點(diǎn)煙裝置、滅煙部分、旋轉(zhuǎn)門(后門)、內(nèi)桶(收集桶):供電系統(tǒng)包括頂部光伏板、側(cè)面光伏板(3塊)和蓄電池:電路控制模塊包括線路鏈接、光電感應(yīng)器、wi-Fi通信模塊、GPS定位模塊、LED顯示屏、PLC電路板。

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)收集器的各項(xiàng)功能,需配合傳感器和PLC控制。通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模,保證煙頭收集器各部件加工和安裝過(guò)程中機(jī)械部件合理配合,不發(fā)生相互干涉。收集器主體分為上、中、下三部分。上部的頂板有一塊LED屏幕和一塊光伏板,內(nèi)部放置電路控制硬件部分和wi-Fi接收發(fā)送模塊、位置定位模塊:側(cè)面安裝有兩個(gè)點(diǎn)煙裝置。中間部分為煙頭熄滅及投遞入口。下部正面的3個(gè)側(cè)面安裝有3塊光伏板,用于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,背面開有后門(圖2),內(nèi)部分為上、下兩層,上層放置煙頭收集桶(內(nèi)桶)固定于旋轉(zhuǎn)門上,下層存放蓄電池,蓄電池用于儲(chǔ)存光伏板產(chǎn)生的電能,同時(shí)為其他系統(tǒng)部件供電。旋轉(zhuǎn)門可繞邊緣軸線轉(zhuǎn)動(dòng)打開,同時(shí)將內(nèi)桶移到外部,便于環(huán)衛(wèi)工人清理煙頭(圖2)。

1.2供電系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能光伏電池板的光伏效應(yīng),將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為可利用電能的一種新型發(fā)電方式,具有清潔、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),光伏發(fā)電是公認(rèn)的我國(guó)未來(lái)可再生能源發(fā)電的主要方式之一。本文設(shè)計(jì)的多功能煙頭收集器主要安裝于室外陽(yáng)光充足的地區(qū),無(wú)須外接電源,為實(shí)現(xiàn)收集器自給自足供電,在收集器上安裝了4塊光伏板,光伏板1安裝于頂板,頂板相對(duì)水平面的夾角為279,與我國(guó)北方緯度接近,使太陽(yáng)光線與光伏板1基本垂直,有利于提高太陽(yáng)光吸收效率:光伏板2、3、4安裝于3個(gè)側(cè)面,朝向太陽(yáng)光方向。4塊光伏板串聯(lián),白天將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,并儲(chǔ)存于蓄電池中,保證收集器在晚上和陰雨天氣仍可正常工作。收集器系統(tǒng)的供電流程如圖3所示。

1.3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心部件是PLC控制器(可編程邏輯控制器),PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。采用PLC控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、接收、處理和控制,適用24V直流電源,PLC的內(nèi)部主要由中央處理器CPV(存儲(chǔ)器和編程器)、指令及資料內(nèi)存模塊、輸入/輸出單元、電源模塊、數(shù)字模擬單元等組成,有多個(gè)輸入/輸出接口。煙頭收集器通過(guò)PLC編程可實(shí)現(xiàn)電量分配、電量監(jiān)測(cè)、點(diǎn)煙控制、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線信號(hào)接收和發(fā)送、GPS定位、LED屏顯示功能。

2功能實(shí)現(xiàn)

2.1點(diǎn)煙功能

收集器頂部的左右兩側(cè)安裝兩個(gè)電弧點(diǎn)煙器,將單支香煙放進(jìn)點(diǎn)煙口,通過(guò)點(diǎn)擊LED屏幕的"點(diǎn)煙"按鈕,使點(diǎn)煙器通電,產(chǎn)生電弧,持續(xù)10s,將煙支點(diǎn)燃。同時(shí),PLC控制器會(huì)接收到點(diǎn)煙信號(hào),點(diǎn)煙次數(shù)增加一次。

2.2煙頭熄滅、投遞及清理功能

將煙頭在滅煙口的擋板上熄滅,之后投入投遞口,熄滅后的煙頭會(huì)沿滑道落入內(nèi)部收集桶,桶內(nèi)的煙頭增加一個(gè)。擋板上安裝有光電傳感器,滅煙的同時(shí),傳感器將信號(hào)發(fā)送到PLC控制器,現(xiàn)有煙頭數(shù)據(jù)增加一個(gè)。

當(dāng)煙頭數(shù)目到達(dá)目標(biāo)數(shù)目后,垃圾清理員打開后面的旋轉(zhuǎn)門,同時(shí)帶動(dòng)收集桶轉(zhuǎn)出,即可將桶內(nèi)煙頭全部清理干凈。旋轉(zhuǎn)門打開的同時(shí),光電感應(yīng)器會(huì)發(fā)送信號(hào)到PLC控制板,提示垃圾清理完畢,現(xiàn)有煙頭數(shù)目清零。

2.3LED屏幕顯示功能

收集器頂板上的LED屏幕實(shí)時(shí)顯示煙頭收集器的編號(hào)及位置、當(dāng)?shù)貧鉁?、?dāng)前電量、內(nèi)桶當(dāng)前煙頭數(shù)量及總點(diǎn)煙次數(shù),如圖4所示。

2.4數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸功能

如圖5所示,通過(guò)各種傳感器和感應(yīng)器采集的信息發(fā)送到PLC控制器,控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,可通過(guò)LED屏幕顯示部分關(guān)鍵數(shù)據(jù):同時(shí),通過(guò)Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器,服務(wù)器儲(chǔ)存并處理接收的信息。管理員可通過(guò)管理員賬號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和管理,用戶可通過(guò)手機(jī)端查詢煙頭收集器的相關(guān)信息,便于管理和使用。

3結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種六邊形結(jié)構(gòu)的多功能煙頭收集器,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)點(diǎn)煙、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)煙頭數(shù)目、電量自動(dòng)監(jiān)控等功能。該收集器利用PLC編程控制,對(duì)各部件采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并利用無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器及終端設(shè)備,便于管理人員和市民使用。將太陽(yáng)能供電技術(shù)應(yīng)用到多功能煙頭收集器中,不僅解決了電源的供應(yīng)問(wèn)題,還符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)清潔能源、低碳環(huán)保的需求,可大力推廣應(yīng)用,為各地區(qū)打造衛(wèi)生城市、文明城市、智慧城市提供數(shù)據(jù)支撐和有效途徑。