多功能烟头收集器的三维结构设计

引言

烟蒂即烟头,是纸烟吸到最后剩下的部分,包括滤嘴和残留的未燃烧的香烟段。烟蒂等废弃物数量庞大,其产生量与烟支消费量呈正比,每年全球烟支消费约252万亿支,可产生烟蒂约.75.t,仅中国每年就超过了158亿支。世界卫生组织指出,到1012年,全球烟民人数将升至1.亿人以上。根据国家统计局提供的最新数据,1011年全国卷烟产量为1418154亿支。巨大的烟支产量必然产生大量烟蒂,这些烟蒂被随意丢弃,进入市政管网,易发生堵塞,其毒性可能对污水处理厂的微生物有一定的抑制作用,会降低污水处理厂的处理效率。另外,丢弃的烟蒂容易引起火灾,香烟点燃后的温度比有些固体可燃物的燃点温度高出1~3倍,因此,未熄灭的烟头足以引起火灾。

烟头的回收利用,不仅可以减少环境污染,而且可以从废弃烟头中提取烟碱、茄尼醇和醋酸纤维等物质另作他用。烟蒂的回收、处理和管理一直是一个难题,一方面需加强市民对烟头回收利用的认识,另一方面可开发烟头收集器,以提高烟蒂的收集效率。如果能设计一款外形美观的多功能烟头收集器,实现烟头的自动计数,并自动上传数据到服务器,则有利于管理人员合理布置烟头收集器的位置,对城市的环境保护和新型智慧城市的建设具有积极意义。文献对户外分类垃圾箱上配置的烟蒂收集器进行了优化,基于连杆原理设计了新型烟蒂收集器:文献分析了建设智能化吸烟区的总体设想、核心技术及实现路径:文献设计了一种烟头收集装置,可实现烟头数据的智能统计。

本文以实现烟蒂的计数功能和数据上传功能为目的,采用三维设计软件进行垃圾桶机械结构设计,采用不锈钢材质进行烟头收集器机械部件的加工安装,基于传感器技术实现烟蒂投放次数和点烟次数的统计,基于物联网技术实现数据上传和客户端实时查询功能,并应用太阳能发电技术解决烟头收集器的日常用电问题。

1总体技术路线

在结构设计中,需要合理布置收集器内各个部件的位置,解决太阳能转化并与其他部件之间进行能量传输和利用的问题。同时,结合无线通信技术,利用PLC编程开发程序,实现烟头收集器的各项智能功能。

利用三维设计软件,设计了多功能烟头收集器,其三维模型的正面如图1所示。收集器主体为正六边形结构,总高度1100mm,剖面六边形边长为110mm:顶部为斜面,与水平面夹角为27°:LED屏幕大小为177mm×101mm,光伏板1尺寸为170mm×1.0mm,光伏板1、3、4尺寸均为700mm×170mm。收集器三维结构背面如图1所示,旋转门在打开状态,内桶(收集桶)为直径120mm的圆柱壳体。

多功能烟头收集器的整体结构分为机械结构、供电系统和电路控制模块。其中,机械结构包括外桶、点烟装置、灭烟部分、旋转门(后门)、内桶(收集桶):供电系统包括顶部光伏板、侧面光伏板(3块)和蓄电池:电路控制模块包括线路链接、光电感应器、wi-Fi通信模块、GPS定位模块、LED显示屏、PLC电路板。

1.1机械结构

要实现收集器的各项功能,需配合传感器和PLC控制。通过三维设计软件进行结构建模,保证烟头收集器各部件加工和安装过程中机械部件合理配合,不发生相互干涉。收集器主体分为上、中、下三部分。上部的顶板有一块LED屏幕和一块光伏板,内部放置电路控制硬件部分和wi-Fi接收发送模块、位置定位模块:侧面安装有两个点烟装置。中间部分为烟头熄灭及投递入口。下部正面的3个侧面安装有3块光伏板,用于将太阳能转化为电能,背面开有后门(图2),内部分为上、下两层,上层放置烟头收集桶(内桶)固定于旋转门上,下层存放蓄电池,蓄电池用于储存光伏板产生的电能,同时为其他系统部件供电。旋转门可绕边缘轴线转动打开,同时将内桶移到外部,便于环卫工人清理烟头(图2)。

1.2供电系统

太阳能光伏发电是利用太阳能光伏电池板的光伏效应,将太阳能直接转化为可利用电能的一种新型发电方式,具有清洁、节能、环保等优点,光伏发电是公认的我国未来可再生能源发电的主要方式之一。本文设计的多功能烟头收集器主要安装于室外阳光充足的地区,无须外接电源,为实现收集器自给自足供电,在收集器上安装了4块光伏板,光伏板1安装于顶板,顶板相对水平面的夹角为279,与我国北方纬度接近,使太阳光线与光伏板1基本垂直,有利于提高太阳光吸收效率:光伏板2、3、4安装于3个侧面,朝向太阳光方向。4块光伏板串联,白天将太阳能转化为电能,并储存于蓄电池中,保证收集器在晚上和阴雨天气仍可正常工作。收集器系统的供电流程如图3所示。

1.3控制系统方案设计

控制系统的核心部件是PLC控制器(可编程逻辑控制器),PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。采用PLC控制器对信号进行采集、接收、处理和控制,适用24V直流电源,PLC的内部主要由中央处理器CPV(存储器和编程器)、指令及资料内存模块、输入/输出单元、电源模块、数字模拟单元等组成,有多个输入/输出接口。烟头收集器通过PLC编程可实现电量分配、电量监测、点烟控制、数据采集、无线信号接收和发送、GPS定位、LED屏显示功能。

2功能实现

2.1点烟功能

收集器顶部的左右两侧安装两个电弧点烟器,将单支香烟放进点烟口,通过点击LED屏幕的"点烟"按钮,使点烟器通电,产生电弧,持续10s,将烟支点燃。同时,PLC控制器会接收到点烟信号,点烟次数增加一次。

2.2烟头熄灭、投递及清理功能

将烟头在灭烟口的挡板上熄灭,之后投入投递口,熄灭后的烟头会沿滑道落入内部收集桶,桶内的烟头增加一个。挡板上安装有光电传感器,灭烟的同时,传感器将信号发送到PLC控制器,现有烟头数据增加一个。

当烟头数目到达目标数目后,垃圾清理员打开后面的旋转门,同时带动收集桶转出,即可将桶内烟头全部清理干净。旋转门打开的同时,光电感应器会发送信号到PLC控制板,提示垃圾清理完毕,现有烟头数目清零。

2.3LED屏幕显示功能

收集器顶板上的LED屏幕实时显示烟头收集器的编号及位置、当地气温、当前电量、内桶当前烟头数量及总点烟次数,如图4所示。

2.4数据信号传输功能

如图5所示,通过各种传感器和感应器采集的信息发送到PLC控制器,控制器对数据进行处理后,可通过LED屏幕显示部分关键数据:同时,通过Wi-Fi无线通信技术将数据发送到服务器,服务器储存并处理接收的信息。管理员可通过管理员账号对数据进行查询和管理,用户可通过手机端查询烟头收集器的相关信息,便于管理和使用。

3结语

本文设计了一种六边形结构的多功能烟头收集器,实现了自动点烟、自动统计烟头数目、电量自动监控等功能。该收集器利用PLC编程控制,对各部件采集的数据进行分析,并利用无线通信技术将数据发送到服务器及终端设备,便于管理人员和市民使用。将太阳能供电技术应用到多功能烟头收集器中,不仅解决了电源的供应问题,还符合现代社会对清洁能源、低碳环保的需求,可大力推广应用,为各地区打造卫生城市、文明城市、智慧城市提供数据支撑和有效途径。