智能垃圾桶的创新性设计——控制器系统和供电系统设计

智能垃圾桶的创新性设计——控制器系统和供电系统设计

龚良雨,叶知润,韦伊

杭州外国语学校

一、背景

随着城市人口增长和生活水平提高，城市垃圾量不断增加，垃圾处理成为环境保护的重要问题。同时，传统垃圾处理方式也面临许多问题，如占用土地资源、污染环境、浪费能源等。为此，太阳能智慧垃圾房应运而生，成为了一项创新的科技产物。

太阳能智慧垃圾房是基于太阳能和物联网技术的一种环保型垃圾处理设施。它采用太阳能光伏板作为能量来源，在不需要外部电力的情况下实现了干湿分离、自动压缩、消毒等多种功能的智能垃圾管理。

在太阳能智慧垃圾房里，垃圾首先经过智能感知系统进行分类，然后被投入相应的存放箱。当存放箱内的垃圾达到一定量时，系统便会自动将垃圾压缩成块，并通过管道输送到垃圾填埋场或焚烧厂进行处理。同时，太阳能智慧垃圾房具备人机交互界面和远程监控系统，可以随时随地实现垃圾桶状态监测、故障报警等功能。

太阳能智慧垃圾房的出现有着重要的背景。一方面，城市人口增长导致垃圾处理压力巨大，传统的垃圾处理方式难以满足需求；另一方面，环保理念逐渐深入人心，促使垃圾处理方式向资源节约、环保型方向发展。太阳能智慧垃圾房正是在这种背景下应运而生，成为了一项切实可行、环保节能的新型垃圾处理技术。

（一）现状调研

太阳能智慧垃圾房作为一种新型的环保型垃圾处理设备，近年来受到了广泛关注。据调研显示，目前太阳能智慧垃圾房的应用还处于起步阶段，但已经逐渐得到了推广和应用。

我国南京市的某个社区是全球第一个采用太阳能智慧垃圾房的社区之一，该社区的垃圾房可实现智能分类、自动压缩、远程监控等功能。除此之外，在上海、北京、深圳等地也出现了太阳能智慧垃圾房的应用和试点。

与传统垃圾处理设施相比，太阳能智慧垃圾房具有以下特点：

环保节能：采用太阳能光伏板作为能量来源，不需要外部电力，减少了能源损耗和环境污染。

智能化：采用物联网技术和智能感知系统对垃圾进行分类、压缩和消毒，避免人为操作带来的误差和安全隐患。

垃圾管理效率高：通过自动化的垃圾分类和压缩处理，可以减少垃圾运输和处理的次数，降低相关成本。

尽管太阳能智慧垃圾房具有很多优点，但目前在实际应用中还面临着一些问题。例如，部分用户对垃圾分类不够认真，导致垃圾分类不规范；同时，智能感知系统和物联网技术的稳定性和可靠性也需要进一步提高。

1.当前在小区调研

图 1：小区垃圾房现状

当前小区垃圾房现状痛点：

①环境卫生差：由于垃圾房内存在大量杂乱无序的生活垃圾，如果垃圾房不及时清理，就会产生恶臭和细菌滋生，对小区内环境卫生造成影响。

②垃圾分类混乱：由于小区居民的垃圾分类意识不强，垃圾房内经常出现分类混乱的情况，导致垃圾无法有效清理和处理，也无法实现资源的最大化利用。

③垃圾房秩序混乱：垃圾房常常因为使用不当、管理不到位等原因，导致垃圾的堆放不规范，垃圾袋漏出的场面时有发生，让垃圾房显得特别不整洁，并增加垃圾的散落风险。

④垃圾清运频次不足：由于垃圾清运频次不足，垃圾房内垃圾堆积如山，有时不能及时清理，使得垃圾房难以保持清洁，也对居民的生活和健康造成不良影响。

二、设计理念及思路

当前小区垃圾房的设计理念及思路是以环保、绿色能源、便民、公益和智能为核心原则，致力于提高垃圾分类效率，减少资源浪费和污染，创建更适宜居住的城市环境。

首先，小区垃圾房的设计应该紧密围绕环保和绿色能源发展方向。在垃圾收集、运输和处理过程中，尽可能地采用可再生能源，如太阳能、风能等，来减少对传统能源的依赖，降低生产成本，同时也达到环保效果，减少二氧化碳和其他污染物的排放，降低对环境的影响。

其次，在垃圾房设计中应该考虑到便民的需求，让居民能够更方便地进行垃圾分类。比如可以在垃圾房墙面上设置分类指南图表，让居民了解垃圾的分类要求，分类桶也可以设置得简单明了，醒目易找，方便分类放置，同时可视化监控系统也能让用户清楚地了解垃圾处理的过程和处置效果，提高居民对分类的信心和意愿。

其次，垃圾房应该具备公益属性，满足居民的需求，提高生活质量。比如设计垃圾房周边为小型休闲广场或者绿化带，让居民不仅能够处理垃圾，还能够在周边放松休息，增加与邻里间的交流和活动，形成社区共享资源的效应。

最后，利用智能科技，建立智能垃圾分类系统，提高垃圾分类的准确性和效率。通过物联网技术、人工智能、云计算等先进技术相结合，实现智能分类垃圾，自动化收运和处理，并建立完善的监控系统，及时反馈数据和信息，进行精细化管理和控制，从而真正实现垃圾减量化、无害化、资源化处理。

下图是智慧垃圾房的设计：

图2：智慧垃圾房的设计

使用场景：小区，学校，工业园区，机关单位，景区等

（一） 产品功能定义

1.夜间人体感应灯：在夜间使用时，利用人体感应器自动检测有人到达垃圾房位置时，开启夜间照明灯，方便居民投放垃圾。

2.太阳能供电：利用太阳能电池板等可再生能源作为垃圾房的供电来源，节约能源成本，提高调配维护效率。

3.LED文字显示：可在智能垃圾房的表面设置LED屏幕，以显示不同种类垃圾的分类和管理信息，帮助居民顺利完成投放垃圾。

4.人体感应开合：智能垃圾房的门可以配备人体感应开合装置，当有人过来投垃圾时，垃圾房门自动打开，以便放入垃圾，完成后可以自动关闭门，避免垃圾散落。

5.间断式排风扇：为了改善垃圾房内的空气质量，可以配置间断式排风扇，定期启动整个空气循环，保证垃圾房内的空气清新。

6. 间断式灭蚊灯：为了避免蚊虫滋生，垃圾房可以配备灭蚊灯，每小时自动开启，每隔一定时间定期更换灭蚊灯片，降低蚊虫滋生的风险。

三、产品设计

（一）自动垃圾投放箱控制器开发方案

1.概述

自动垃圾投放箱控制器根据雷达和红外传感器检测导是否有人靠近，自动控制垃圾箱投 放口门开合，显示在信息屏上显示相应的提示信息，并有紧急开关，室内室外灯控制，捕蝇 器控制，驱臭排气扇控制，故障检测及故障提示。

表 1：智能垃圾房各个部件的位置与功能

2.自动垃圾投放箱控制器控制对象

3.自动垃圾投放箱控制器框图

图3：智能垃圾投放箱控制器框图

（二）太阳能智慧垃圾箱设计方案

随着环保理念的普及，智慧垃圾箱逐步成为城市垃圾处理的新宠。太阳能智慧垃圾箱是一种集成了太阳能光伏技术的智能垃圾箱，可为垃圾箱免费提供电力。下面是太阳能智慧垃圾箱的设计方案。

1.太阳能光伏组件

太阳能光伏组件是太阳能智慧垃圾箱的核心部件，主要包括太阳能电池板和太阳能控制器。太阳能电池板主要用于收集、转换阳光能量，将其转化为电力，为垃圾箱提供免费电源。太阳能控制器则可以对太阳能电池板输出功率进行监控和调节，以实现垃圾箱的智能管理。

2.垃圾分类系统

太阳能智慧垃圾箱应该具备现代化的垃圾分类系统，包括状态检测、分类提示、分类方式等内容。例如，可加装压力感应器、声光提示系统、图像识别采集等技术，对于不同分类垃圾给出不同的提示，实现科学分类。通过数字化可视化技术，监控垃圾桶的状态，实现在线垃圾处理和数字化化管理。

3.灯光和智能开关

太阳能智慧垃圾箱还应该配备灯光和智能开关。光照传感器可以断定光照环境，精确判断夜晚和日间光强度的大小，实现光照控制。根据人的活动与光的变化，可以自由地控制垃圾箱的开关，以改善夜间投放垃圾不便的情况。

4.篮网和垃圾袋设计

太阳能智慧垃圾箱应该合理地布局垃圾篮网和投放垃圾袋。可以将垃圾篮网融入整个垃圾箱内部，节约空间，增加箱内容量，减少空间浪费。此外，垃圾袋设计应该合理，具有防泼溅和压实等功能，以减少垃圾溢出污染等问题。

综上所述，太阳能智慧垃圾箱的设计应考虑到多种因素，例如节能环保、科学分类、人性化、智能化等，以最大限度发挥其作用。太阳能光伏组件、垃圾分类系统、灯光和智能开关、篮网和垃圾袋设计等应得到合理的规划和调节。

四、自动垃圾投放箱控制器控制逻辑输入部分

1、雷达红外二和一探头雷达24GHZ微波雷达模块，移动物体侦测距离0.5~3.5米；微波雷达模块与主机通讯接口：串口；红外部分：采用红外发射和接收二合一模块，与主机通讯使用IO口；注：红外部分室外容易受太阳光线干扰；

2、红外传感器采用红外发射和接收二合一模块，与主机通讯使用IO口；与雷达红外二合一探头的红外部分区别是发射功率小，检测距离近；

3、急停开关与主机端使用IO口检测，默认开路是正常工作状态，闭合则进入急停状态；按键5颗:设置，加，减，确认，返回；用于系统工作模式设置：雷达探测距离，排风扇运行时间，

4、调试接口系统调试，程序更新；输出部分：1、投放口门开合电机接口连接电机，支持正反转；门关闭时支持减速闭合；带两个行程开关：门开到位，门关到位各一个行程开关；检测门开合是否到位；2、电磁锁接口继电器控制，平时继电器吸合；当断电后，继电器不通电，电磁锁断开，可手动开门；3、LED信息屏接口供电：12V或24V或其它接口：串口，MCU把显示数据通过串口发到LED显示屏；TTL或RS232；4、室内灯接口继电器控制，平时继电器吸合；灯本体带人体感应控制，有人进入打开灯，没人进入熄灭灯；5、室外灯接口继电器控制，平时继电器吸合；灯本体带人体感应控制和亮度传感器，白天灯不亮，夜晚灯亮；有人进入灯亮度最高，没人进入灯亮度降低；6、捕蝇器接口继电器控制，平时继电器断开；继电器断开和吸合时间可由按键设置，默认早上；7：00~22：00每一个小时开10分钟；7、排风扇接口继电器控制，平时继电器断开；继电器断开和吸合时间可由按键设置，默认早上7：00~22：00每一个小时开10分钟；

五、可靠性

1、工作温度：-20~70°;

2、存储温度：-10~50° ;

3、工作湿度：RH 10%~90%;

4、防雷击等级：5级

5、电机寿命:> 1500  小时；

6、控制器质保时间：2 年

7.材料选购

表 3：选购材料及型号

六、太阳能智慧垃圾房供电系统设计

（一）电路设计

1.太阳能电池板

太阳能电池板是该系统的能量来源，它将太阳能转换为直流电能。选择适当的太阳能电池板可以确保系统能够在任何天气条件下正常工作。在设计电路时，需要注意电池板额定电压与系统所需电压之间的匹配性。典型的太阳能电池板输出电压为12伏特或24伏特。

2.充电控制器

充电控制器通过控制充电电流和电池充电状态，确保太阳能电池板能够安全高效地充电。它还可以防止电池充电过充或放电过度，从而延长电池寿命。在设计充电控制器时，需要考虑支持太阳能电池板输出电压和电流的类型、最大充电电流和电池类型等因素。

3.电池储能器

电池储能器是存储来自太阳能电池板的能量的设备，以便在夜间或阴天时提供必要的电力。选择适当的电池储能器时需要考虑其容量、输出电压和充电速度等因素。常用的电池包括铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池。

4.变压器

变压器用于将直流电转换成系统所需的交流电。在设计变压器时，需要考虑系统所需的输出电压和电流，以及选择高效的变压器可以减少能量损耗，从而提高系统效率。

5.智能控制器

智能控制器可以查看系统负载和电池冲放电状态，并根据需要调整电力供应。例如，在夜间或空房间时，它可以自动关闭照明或降低照明亮度。此外，智能控制器还可以监测垃圾房内的温度、湿度、烟雾等数据，并将这些数据发送到远程服务器进行分析。

6.照明

照明是系统中最常用的负载之一，它可以提高垃圾房的安全性和效率。在设计照明电路时，需要选择适当的灯具和控制开关，并考虑节能和长寿命的灯泡。

7.监控设备

监控设备可监测垃圾房内的状况，包括摄像头、传感器和警报器等。在设计监控设备电路时，需要考虑设备的功率需求和所需电压。

（二）整体功率计算

太阳能电池板功率：太阳能电池板的功率是衡量垃圾房太阳能电源能力的重要指标。这个数据通常以瓦特为单位来表示。太阳能电池板的规格和数量会根据实际需求而定。例如，如果太阳能电池板的总功率为1000瓦，那么系统的最大输出功率就是1000瓦。

储能装置功率：储能装置的功率是指用于储存太阳能电池板转换的电能的电池组的最大输出功率。该功率也通常以瓦特为单位来表示。储能装置选择时需要考虑到垃圾房用电量的峰值和整个系统的负载需求。例如，如果储能装置的总功率为500瓦，那么系统的最大输出功率就是500瓦。

逆变器功率：太阳能电池板产生的电流和电压需要经过逆变器转换成可以用于垃圾房用电的交流电。逆变器的功率也通常以瓦特为单位来表示。逆变器的选择需要考虑到太阳能电池板的额定功率和负载需求。例如，如果逆变器的总功率为1000瓦，那么系统的最大输出功率就是1000瓦。

垃圾房电器设备功率：最后一个要考虑的因素是垃圾房内各种用电设备的功率需求。这些设备包括灯具、通风设备、温度调节设备、垃圾压缩机等等。要计算整个系统的最大功率需求，需要将这些设备的功率值累加起来。例如，如果垃圾房内所有用电设备的总功率为500瓦，那么系统的最大输出功率就需要达到500瓦。

因此，整个系统的最大输出功率等于太阳能电池板功率、储能装置功率、逆变器功率及垃圾房电器设备功率之和。以数据示例，如果太阳能电池板功率为400瓦，储能装置功率为300瓦，逆变器功率为500瓦，垃圾房电器设备功率为200瓦，则整个系统的最大输出功率为：

400瓦 + 300瓦 + 500瓦 + 200瓦 = 1400瓦

因此，这个太阳能智慧垃圾房供电系统最大输出功率为1400瓦。

（三）产品安装调试

安装太阳能电池板：根据安装说明书将太阳能电池板安装在垃圾房顶部或周围，确保其能够充分接收阳光。安装时需要注意固定方式和安装角度，以便太阳能电池板能够尽可能地吸收阳光。

安装储能电池：根据说明书安装好储能电池并连接好电缆。如果使用锂电池，还需要进行电池组的拼装和连接。

连接负载：根据负载设备的功率和电压要求，将负载设备连接到太阳能智慧垃圾房供电系统上。

连接控制器：将控制器连接到太阳能电池板、储能电池和负载设备上，并按照说明书正确设置控制器参数。

完成布线：进行电缆布线，保证各个部件之间的连通性。

调试测试：启动系统后，在阳光充足的情况下进行电池电量的测试与记录，观察储能电池的充电情况，调整系统参数直至满足正常使用要求。

在安装调试前，需要对所有设备和电缆进行检查，确保物品完好无损。同时，在进行安装调试时，需要注意使用安全，并按照说明书正确操作，以避免安全事故的发生。