多功能煙頭收集器的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)生量與煙支消費量呈正比,每年全球煙支消費約252萬億支,可產(chǎn)生煙蒂約.75.t,僅中國每年就超過了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)國家統(tǒng)計局提供的最新數(shù)據(jù),1011年全國卷煙產(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,進入市政管網(wǎng),易發(fā)生堵塞,其毒性可能對污水處理廠的微生物有一定的抑制作用,會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),香煙點燃后的溫度比有些固體可燃物的燃點溫度高出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難題,一方面需加強市民對煙頭回收利用的認識,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)計一款外形美觀的多功能煙頭收集器,實現(xiàn)煙頭的自動計數(shù),并自動上傳數(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,對城市的環(huán)境保護和新型智慧城市的建設(shè)具有積極意義。文獻對戶外分類垃圾箱上配置的煙蒂收集器進行了優(yōu)化,基于連桿原理設(shè)計了新型煙蒂收集器:文獻分析了建設(shè)智能化吸煙區(qū)的總體設(shè)想、核心技術(shù)及實現(xiàn)路徑:文獻設(shè)計了一種煙頭收集裝置,可實現(xiàn)煙頭數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計。

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

1總體技術(shù)路線

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,需要合理布置收集器內(nèi)各個部件的位置,解決太陽能轉(zhuǎn)化并與其他部件之間進行能量傳輸和利用的問題。同時,結(jié)合無線通信技術(shù),利用PLC編程開發(fā)程序,實現(xiàn)煙頭收集器的各項智能功能。

利用三維設(shè)計軟件,設(shè)計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)分為機械結(jié)構(gòu)、供電系統(tǒng)和電路控制模塊。其中,機械結(jié)構(gòu)包括外桶、點煙裝置、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機械結(jié)構(gòu)

要實現(xiàn)收集器的各項功能,需配合傳感器和PLC控制。通過三維設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)建模,保證煙頭收集器各部件加工和安裝過程中機械部件合理配合,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)面安裝有兩個點煙裝置。中間部分為煙頭熄滅及投遞入口。下部正面的3個側(cè)面安裝有3塊光伏板,用于將太陽能轉(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,蓄電池用于儲存光伏板產(chǎn)生的電能,同時為其他系統(tǒng)部件供電。旋轉(zhuǎn)門可繞邊緣軸線轉(zhuǎn)動打開,同時將內(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)

太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能光伏電池板的光伏效應(yīng),將太陽能直接轉(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,光伏發(fā)電是公認的我國未來可再生能源發(fā)電的主要方式之一。本文設(shè)計的多功能煙頭收集器主要安裝于室外陽光充足的地區(qū),無須外接電源,為實現(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,頂板相對水平面的夾角為279,與我國北方緯度接近,使太陽光線與光伏板1基本垂直,有利于提高太陽光吸收效率:光伏板2、3、4安裝于3個側(cè)面,朝向太陽光方向。4塊光伏板串聯(lián),白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,并儲存于蓄電池中,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

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)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。采用PLC控制器對信號進行采集、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,有多個輸入/輸出接口。煙頭收集器通過PLC編程可實現(xiàn)電量分配、電量監(jiān)測、點煙控制、數(shù)據(jù)采集、無線信號接收和發(fā)送、GPS定位、LED屏顯示功能。

2功能實現(xiàn)

2.1點煙功能

收集器頂部的左右兩側(cè)安裝兩個電弧點煙器,將單支香煙放進點煙口,通過點擊LED屏幕的"點煙"按鈕,使點煙器通電,產(chǎn)生電弧,持續(xù)10s,將煙支點燃。同時,PLC控制器會接收到點煙信號,點煙次數(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,熄滅后的煙頭會沿滑道落入內(nèi)部收集桶,桶內(nèi)的煙頭增加一個。擋板上安裝有光電傳感器,滅煙的同時,傳感器將信號發(fā)送到PLC控制器,現(xiàn)有煙頭數(shù)據(jù)增加一個。

當煙頭數(shù)目到達目標數(shù)目后,垃圾清理員打開后面的旋轉(zhuǎn)門,同時帶動收集桶轉(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,光電感應(yīng)器會發(fā)送信號到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屏幕實時顯示煙頭收集器的編號及位置、當?shù)貧鉁亍斍半娏?、?nèi)桶當前煙頭數(shù)量及總點煙次數(shù),如圖4所示。

2.4數(shù)據(jù)信號傳輸功能

如圖5所示,通過各種傳感器和感應(yīng)器采集的信息發(fā)送到PLC控制器,控制器對數(shù)據(jù)進行處理后,可通過LED屏幕顯示部分關(guān)鍵數(shù)據(jù):同時,通過Wi-Fi無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器,服務(wù)器儲存并處理接收的信息。管理員可通過管理員賬號對數(shù)據(jù)進行查詢和管理,用戶可通過手機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

本文設(shè)計了一種六邊形結(jié)構(gòu)的多功能煙頭收集器,實現(xiàn)了自動點煙、自動統(tǒng)計煙頭數(shù)目、電量自動監(jiān)控等功能。該收集器利用PLC編程控制,對各部件采集的數(shù)據(jù)進行分析,并利用無線通信技術(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)問題,還符合現(xiàn)代社會對清潔能源、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。