綠色冬奧下針對半瓶水浪費問題的智慧瓶水分離回收系統(tǒng)

王婉婷 王鵬

摘 ?要：針對乘客、參會人員隨手丟棄“半瓶水”這一浪費現象，研發(fā)一款智慧瓶水分離回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過卷積神經網絡對瓶裝礦泉水和飲料的水瓶與剩余的液體進行智能識別分類，實現分離回收，同時利用酶解法將飲料中的糖分分解為小分子有機物，制作成肥料，實現能源的循環(huán)利用。面對直流無刷電機在運行過程中產生的噪聲干擾，在直流無刷電機控制系統(tǒng)中引入PID控制器;利用物聯(lián)網技術將數據傳輸到終端，結合大數據將某地區(qū)某時段的“半瓶水”浪費現象形成用戶畫像，以此指導瓶裝水分發(fā)、售賣，實現智慧瓶水分離回收。

關鍵詞：半瓶水浪費;智慧瓶水分離回收系統(tǒng);STM32F4

中圖分類號：TP368 ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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

瓶裝水是達到飲用標準的一級水，集中收集后的水經過簡單的消毒處理即可達到泳池等娛樂用水標準。2022年冬奧會中的冰球、冰壺項目場地建造需要大量的水資源，智慧瓶水分離回收系統(tǒng)可以為國家冬奧會收集被丟棄的瓶裝水，經過處理后用作他途，在很大程度上減少了水資源的浪費。我國每年召開各種會議，大量使用瓶裝礦泉水，會議結束后被丟棄的半瓶水隨處可見。為積極響應國家綠色冬奧的號召，本文設計了可解決“半瓶水”浪費問題的智慧瓶水分離回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠解決大型集會中無人認領瓶裝水的資源浪費問題，將礦泉水瓶與飲用水分類回收，減少人工回收時的低效及水資源的浪費，在實現智能回收的同時還能呼吁大家重視生活中點點滴滴的水資源，推廣“清瓶活動”。

1 ?設計方案

1.1 ?機械結構

紅外傳感器檢測到有瓶子投放至系統(tǒng)時，傳送帶機構開始運作，電機帶動聯(lián)軸器及光軸運動使履帶開始繞光軸運動，瓶子通過傳送帶落入鏈輪機構30°爪上，電機帶動軸承及軸承上的鏈輪，使鏈條及爪向上運動，將水瓶豎直抬升。水瓶到達最高點后，由瓶水分離機構和鏈輪爪相嚙合的傾斜臺面接住，水瓶從斜面滾入瓶水分離機構。電機帶動主動軸旋轉，主動軸上固定的鏈輪機構帶動軸以相等的速度旋轉，保證絲杠上基于法蘭盤鏈接的平面豎直向下移動。

如圖1所示，瓶水分離機構從上往下共有3個平面：A為可上下移動的帶錐壓力板、B為廢瓶防粘機構、C為可左右移動的帶孔壓力板，絲杠控制B板扎破并壓縮瓶子，尖錐上有凹槽，防止空氣壓力過大對機械結構工作造成影響;瓶中水通過C板圓孔流入收集漏斗過濾儲存;將瓶子壓扁扎穿后絲杠逆向旋轉B板向上移動，防止瓶子扎穿后留在B板上，A板穿過B板間隙小孔將遺留瓶子推下進入塑料瓶收集桶，C板下降回到原來的位置。

最后在水箱中設置水位監(jiān)測程序，不但能夠提醒工作人員及時回收集中水資源，同時也能提升更多人節(jié)約水資源的意識。

用戶將瓶裝水從投放口投放后，水平傳送帶將礦泉水瓶運送至鏈條，鏈條上的六齒不銹鋼叉與水平傳送帶呈30°傾斜角，垂直鏈條工作區(qū)入口是六齒不銹鋼叉與工作臺構成的傾斜角為40°的斜坡，礦泉水瓶經過該斜坡滾動到工作區(qū)，如圖2所示。

如圖3所示，礦泉水瓶通過與鏈條上的爪子相嚙合的兩個爪子滾動至工作臺后，電機通過鏈條帶動兩個絲杠上的椎板向下移動，戳破礦泉水瓶，瓶子中的水通過過濾系統(tǒng)進入水箱，同時完成對礦泉水瓶的壓縮。錐板向上移動時，錐板上的兩個鉤子帶動工作臺，使其向一側傾斜將壓縮過的瓶子運送至塑料瓶收集箱中，錐板向上移動至一定高度后工作臺回落到初始位置。

1.2 ?控制系統(tǒng)

5G云智慧“半瓶水”分離回收系統(tǒng)采用鋰離子蓄電池與市電互補的雙供電系統(tǒng)，正常情況下選用開關電源變壓器，將220 V 50 Hz交流電降壓整流成24 V直流電為設備供電;在意外斷電的情況下，系統(tǒng)內置的24 V鋰離子蓄電池可維持系統(tǒng)的正常運轉。系統(tǒng)選用STM32F4作為主控制器，動作器采用M3508直流無刷減速電機，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)精確控制轉速和位置。如圖4所示，投放傳輸模塊采用E3F-DS30C4漫反射式紅外線感應光電開關傳感器，實現對投入瓶數的統(tǒng)計，向主控制器交互數量反饋;FS-IR02液位傳感器，基于紅外光學原理，檢測水位高低并輸出相應的模擬信號，實現對儲水區(qū)內水位高低的檢測，向主控制器交互水量反饋，實現智慧瓶水分離回收。

系統(tǒng)通過紅外光電傳感器統(tǒng)計進入裝置的瓶子個數，在收集到系統(tǒng)設定數量的瓶子后，電機帶動鏈條傳送瓶子至壓縮區(qū)，借助絲桿使椎板下降，壓縮并刺破瓶身，最后推板運作，瓶水分離。裝置使用M3508直流無刷電機與C620電調，電調與STM32F4控制板通過CAN協(xié)議通信，電調可以實時反饋電機的轉速以及位置的高、低八位共十六位數據，控制板解析數據后，結合基于PID算法的位置環(huán)與電流環(huán)閉環(huán)控制，將目標值傳輸給電調解碼后控制電機運轉，這樣可以精確控制電機的轉速與位置，實現瓶子的轉送、壓縮裝置、推板的運行。

1.3 ?識別系統(tǒng)

由于市場上水的種類繁多，飲料與礦泉水不能混合回收，很多人無法做到正確投放水瓶，需要人為識別液體的種類，于是我們設計了基于卷積神經網絡的物聯(lián)網智能水瓶分類裝置。系統(tǒng)可以進行高效的分類，使人們不必考慮所扔水瓶的種類[1]。

本文提出的基于卷積神經網絡的智能水瓶分類裝置，只需將水瓶從投放口放入便可調用攝像頭對其拍照，使用OpenCV圖像識別算法對水瓶進行分類，準確度可達99%，通過舵機帶動機械結構自主將水瓶分類投放至對應箱體，實現礦泉水與飲料的分離回收，酶解法將飲料分解成有機肥料，礦泉水回收利用，并通過語音播報模塊及顯示屏提示水的類別名稱、數量及滿載情況，極大地節(jié)省了后期處理所需的人力、物力，減少了資源消耗，提高了回收利用率。

本系統(tǒng)內置的5G通信模塊，通過物聯(lián)網技術感知和傳輸數據、分析處理信息、使數據可視化，實現水瓶分類、瓶水分離回收、飲料糖分分解利用、控制與分析的智能化。

2 ?理論設計計算

本系統(tǒng)針對直流無刷電機在運行過程中面臨的干擾問題，在直流無刷電機控制系統(tǒng)中引入了PID控制器。

閉環(huán)速度調節(jié)器采用比例積分微分控制，直流電機轉速公式為：

（1）

直流電機的轉速是由定子磁場強度、轉子線圈匝數及供電電壓等共同決定的，電樞電壓增加，轉速也相應增加，這就構成了PID調節(jié)的基礎。相應的公式為：

（2）

（3）

直流電機的速度理論值變化時，它的實際速度也將發(fā)生變化，造成階躍響應增大，電機的速度增加[2]，若要使其增長速度減慢，就需要限制它的控制量。相應的公式為：

（4）

（5）

（6）

本系統(tǒng)采用的解決方法是：優(yōu)化PID參數和PID算法，結合變速積分來精確控制直流電機的轉速，增大無阻尼自然振蕩頻率，減少延遲時間。

3 ?結論及研究實踐意義

3.1 ?塑料瓶、水雙項回收

相較于以往的飲料瓶回收機僅能收集塑料瓶，我們的設備可以將塑料瓶和水分類回收，并將飲料中的糖分用酶解法分解為小分子有機物用作肥料，同時完成瓶子壓縮。據專業(yè)人士介紹，每1噸瓶裝水，一般需耗費1.3噸原水。瓶裝水的水質達到飲用水水質標準，相較于塑料瓶更具回收利用的價值[3]。

3.2 ?物聯(lián)網及大數據應用

如圖5所示，本系統(tǒng)內置5G通信模塊，通過物聯(lián)網技術可遠程升級固件、更新視頻等。還可將系統(tǒng)自身收集到的數據實時傳輸給客戶終端，將區(qū)域內“半瓶水”浪費情況生成數據，進而方便管理人員分析該區(qū)域用水情況，亦可提供數據給商業(yè)公司指導其市場行為[4]。

3.3 ?太陽能與市電的應用

本裝置創(chuàng)造性地使用太陽能與市電雙供電系統(tǒng)，在正常天氣情況下，該裝置所需電量可完全由光伏發(fā)電提供，不需要消耗市電;在光照強度好的天氣情況下，光伏發(fā)電所產生的電量不僅能供給該瓶水分離裝置工作，多出的電量還可儲存進箱內放置的蓄電池當中;在陰雨天氣情況下，光伏發(fā)電不足的電量將由蓄電池釋放儲存的電量來補充，經測試，充滿電的蓄電池可供本裝置正常工作3天;若是出現較長一段時間的陰雨天氣，在蓄電池電量消耗完后，改用市電供電，以保證設備正常工作，提高可靠性[5]。

3.4 ?酶解法的應用

我們采用酶解法來處理回收的飲料并且在處理過后用于施肥增產，極大地提高了經濟效益和資源利用率[6]。

市面上的飲料中所含有的大分子有機物是蛋白質、纖維素以及糖類中的白砂糖和果葡糖漿。研究顯示，這些酶不會影響彼此的催化活性，因此結合使用這些酶即可十分方便地將飲料中的大分子有機物蛋白質、纖維素以及糖類分解成單分子結構的氨基酸、果糖和葡萄糖。它們均屬于小分子化合物，極易被植物的枝葉和根部吸收，故飲料在裝置中經酶解過后可以用于施肥。

3.5 ?應用場所

3.5.1 ?以冬奧為先導的大型會議、會展

根據有關數據，2022年的冬奧會中滑雪場里的雪有兩種來源，一種是自然降雪，另外一種是造雪機造雪，據統(tǒng)計人造雪用量達到總用雪量的90%。在冬奧場館及其他會議會展大量投放“半瓶水”瓶水分離回收裝置可以收集大量的水資源及塑料資源，并就地應用于滑雪場、冰球、冰壺場地建造，極大地節(jié)省了水資源。

3.5.2 ?以機場、火車站為主體的公共場所

每天出入上海浦東、虹橋機場航站樓的客流量高達30余萬人，被丟棄的半瓶水隨處可見，按每人每天一瓶礦泉水計算，一年用水量多達10 950萬瓶。假設每人每天浪費五分之一瓶礦泉水，那么一年就浪費掉約2 190萬瓶礦泉水。本文設計的智慧瓶水分離回收系統(tǒng)可以廣泛應用于機場、火車站等公共場所，為此呼吁大家節(jié)約用水，大力推廣“清瓶活動”。

4 ?結 ?論

我國人口數量大，水資源分布不均，供需矛盾突出，水資源利用率與國際先進水平存在較大差距，因此需要貫徹可持續(xù)發(fā)展的理念，認識到節(jié)水節(jié)能的重要性，形成全社會節(jié)水的良好風尚。當前，供水不足成為阻礙許多城市快速發(fā)展的普遍問題，本文設計的綠色冬奧下針對“半瓶水”浪費問題的智慧瓶水分離回收系統(tǒng)，主要分為投放傳輸模塊、分離壓縮模塊、儲存模塊和交互模塊。將用戶投放進來的瓶裝水經傳送帶運送至叉式結構鏈條穩(wěn)定地傳送至分離壓縮模塊后，電機控制錐板戳穿瓶身將水放出，同時完成塑料瓶體壓縮后托板傾斜，將塑料瓶投放至回收桶內，裝置內部全部采用防水材料，保證裝置安全運行。裝置斜上方設有顯示屏，可以用來播放節(jié)水公益視頻及冬奧賽況，具有極好的市場前景與推廣價值。

參考文獻：

[1] 林森，劉志東，呂慶軍.基于STM32的PID算法控制直流電機系統(tǒng)設計 [J].產業(yè)與科技論壇，2017，16（2）：78-79.

[2] 馬艷，韓佳，劉曉艷.基于模糊PID算法的無刷直流電機轉速控制研究 [J].自動化與儀器儀表，2018（3）：35-37+41.

[3] 英國將實施飲料瓶回收計劃 [J].環(huán)境監(jiān)控與預警，2018，10（3）：17.

[4] 鐘鑫波，王嘉琦.基于物聯(lián)網技術的智能飲料瓶回收機的應用分析 [J].科技資訊，2018，16（13）：1-2.

[5] 周棟敏，郝靜雅.論智能化在廢品分類回收機中的設計研究 [J].科技視界，2019（35）：9-10.

[6] 郭師緒.瓶裝水市場：“楚漢爭霸”中的第三極雛形初現 [J].新產經，2019（7）：88-90.

作者簡介：王婉婷（2000—），女，漢族，吉林松原人，本科在讀，研究方向：新能源科學與工程（智能電網）;通訊作者：王鵬（1982—），男，漢族，山西大同人，助理研究員，碩士研究生，研究方向：智能電網、電力電子與電力傳動。