智能分拣回收站原型系统的设计与开发外文翻译资料

 2022-08-11 10:08

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智能分拣回收站原型系统的设计与开发

马来西亚积极的城市化和工业化导致了大量的垃圾产生。垃圾填埋场的枯竭正在推动一种新的有效固体废物管理方法,这种方法对于确保环境得到保护和免受污染同样重要。最近,马来西亚政府决定采取一种新的综合办法,建立一个更好的废物管理系统,在这个系统中,根据废物的组成,如可回收废物、残余废物和大体积/花园废物,从源头上对废物进行分类和分离。这项实施要求人们将他们的垃圾分类,并根据类别,如塑料,金属,纸张和其他可回收的垃圾分类。设计和建造一个自动垃圾分类回收站的想法,是为了支持在家庭和办公室等家庭用户的早期阶段,根据特定类别分类不同种类的垃圾。本文讨论了目前垃圾管理中存在的问题以及如何开发一个智能分类回收站的原型。

关键词-废物管理、回收、传感器、微控制器、垃圾

导言

马来西亚的主要废物管理方法是通过垃圾填埋处理,腾出宝贵的空间,其他部门,如基础设施开发、房地产和农业也在争夺这些空间。家庭固体废物是城市固体废物的主要来源,其中70%至80%的可回收垃圾通常进入马来西亚的垃圾填埋区[1]。与其建造焚化炉,这仅仅是一个昂贵和危险的权宜之计,长期的解决办法是回收材料,既减少原材料消耗,又减少废物生产。回收过程的效率和质量在很大程度上取决于所选原料的准确性和纯度。因此,开发一个自动分拣回收站将是一个必不可少的产品,以适应日益增长的高吞吐量和准确性的需求,最终改善最重要的分拣阶段的回收过程[2]。另一方面,这个垃圾箱将提供一个成本效益高、无麻烦的处理方案,同时鼓励人们开始分类可回收的饮料废物,如塑料瓶,铝罐和纸杯,无论在家还是在外,因此将大大有助于减少进入我们的垃圾填埋场的垃圾数量。

在自然界中,系统过程是在一个循环的环境中工作的,从能量的角度来看,系统过程是一个开放的系统,而从材料的角度来看,系统过程是一个封闭的系统。这意味着,如果回收活动持续下去,资源将得到补充。一个过程的废物产品作为下一个循环的原材料,以防止潜在有用材料的浪费,从而减少对常规废物处理的需要,从而减少新原材料的消耗、能源使用、填埋的水污染和焚烧的空气污染。此外,回收使用过的饮料材料,如塑料瓶、铝罐和纸杯带来许多其他好处[3]。

铝罐

铝在环境中分解可能需要80到200年的时间。与从铝土矿中提取铝相比,回收铝的成本低得多,而且环境友好,而铝土矿需要使用有毒化学物质,并且消耗大量能源。回收利用所消耗的能源要少得多,并且减少了对有毒化学物质的需求,除了用酸洗去除印记标签之外。它只需要对铝进行分类、清洗和熔化。铝罐本身并不存在问题,因为铝可以无限循环使用,而不会造成质量损失。仅美国的统计数据就显示,人们每30秒回收1万个铁和铝罐[4]。

塑料瓶

城市垃圾的主要成分是塑料瓶,由于密度与体积比较低,需要特殊处理,也就是说,这类垃圾占据了填埋场。与铝和纸废料等其他材料相比,塑料废料对环境的威胁更大,因为它具有不可生物降解的特性,其中塑料最难分解。塑料要花上好几个世纪才能分解,就这样。任何含有阻燃剂、抗菌剂和增塑剂的有毒添加剂都会释放到环境中。从这些塑料垃圾中发现的许多问题已经浮出水面,这些塑料垃圾会在水中留下难看的塑料缠结物,也会对水生物种造成危险。在许多关于塑料废物处理的研究中,对塑料对环境的威胁和确定最佳的处理方法进行了大量的讨论[5-10]

原型开发

专利和市场研究是通过参考市场上许多类型的自动回收站进行的。一些评估和设计开发工具,如质量屋(HOQ)被用于分析原型开发[11-18]。样机分为传感器箱和垃圾箱两个主要结构。传感器箱包含几个重要的传感器组件,如感应式接近传感器、依赖于光的电阻器和超声波传感器,这些传感器由微控制器Raspberry Pi控制,指示和协调独特的特性。

微控制器

Raspbian是一个基于Linux的操作系统,专门设计用于支持小型单板计算机,如Raspberry Pi。Raspbian操作系统与预安装的应用程序、工具和其他有用的软件(如Python、Scratch、Sonic Pi、Java、Mathematica等)结合在一起。此操作系统版本的总体目标是为初学者提供一个更容易使用的平台,以便他们开始学习和开发用于教育和商业目的的程序。

金属传感器

图1:感应式接近传感器(LJ12A3-4-Z/BX)

光传感器

光传感器用于通过感测依赖于光的电阻器(LDR)接收到的光的变化来确定垃圾材料的类型。光与不同的材料以不同的方式反应。根据材料的性质,光在这些材料中的传输可以通过三种不同的方式进行分类,即透明、半透明和不透明。当大多数光线穿过一种材料并且可以非常清楚地看到时,就会出现透明。然而,当一定数量的光通过材料而看不清时,就会出现半透明。最后,如果没有光线可以通过材质,则称为“不透明”(opaque),它会遮挡所有光线并投射阴影。因此,利用这些不同的光特性,可以识别和分离不同的材料。在本项目中,这些光特性可用于塑料和纸饮料容器两种材料的分类和分离。塑料材料容器将允许几乎所有的光通过它,而纸材料只允许一定数量的光通过它。图2显示了光线传感器如何与穿过透明材质的光线交互,而图3显示了光线传感器如何与穿过半透明材质的光线交互。

图2:光与透明材料的相互作用

图3:光与半透明材料的相互作用

目标检测

超声波换能器是一种通过将能量转换成超声波而产生高于人类正常听力范围的声波的装置。该系统通常接收电能,并通过使用在18000赫兹以上的超声波范围内产生声波的换能器触发声能。然后,当击中一个物体时,回声以声波的形式返回。然后接收到的声能转换回电能,电能可以被测量和显示。超声波传感器的工作原理与雷达或声纳的工作原理相似,后者通过解释目标声波的回声来评估其属性。它也被称为收发器,当他们都发送和接收。超声波传感器发出一个高频声脉冲,然后乘以声音回声反射回来所需的时间。传感器的正面有两个开口,对应于一个类似眼睛的特征。其中一只眼睛的开口像一个小扬声器一样发射超声波,另一只眼睛像一个小麦克风一样接收超声波。这种传感器最适合检测金属和锡等固体物质,因此会触发分离器机制来分离垃圾。图4显示了超声波传感器的工作原理。

图4:超声波传感器工作原理

一个程序是按照图5中提到的流程图来专门分离垃圾类型的。它以垃圾或对象被扔进回收站开始。第一次过滤是分离金属或非金属物体。如果检测到金属物体,它将通过启动伺服电机打开插槽,引导至垃圾箱的金属垃圾箱。如果检测到非金属物体,将进行二级过滤。在二级过滤中,纸和塑料物体或垃圾将用光传感器分离。如果检测到透明物体,则将其视为塑料类物体,并通过启动伺服电机打开插槽将其引导至垃圾箱的塑料隔间。同样的道理也适用于纸篓或对象,如果检测到半透明对象,则将其视为纸类对象,并将其定向到纸篓的纸隔间。

图5:程序流程图

最终设计

广泛使用的金属传感器主要用于检测钢铁等黑色金属。在有色金属检测用金属传感器的选择上,感应式接近型LJ12A34-Z/BX价格低廉,安装方便。然而,这些金属传感器的感应范围很短,只有4毫米。这是下一步原型设计需要解决的局限性之一。铝和黄铜等有色金属也能被这些传感器检测到,但它会大幅降低这些传感器的传感范围,使其达到原始传感范围的40%。图6显示了智能分类回收站工作原型的构建。

图6:回收站工作样机

本计画所使用的光感测器是一个发光二极体与光刻胶的组合体,该光刻胶与覆盆子皮(RPi)以RC时间法介面,可使RPi读取光刻胶的模拟输出资料。利用该方法,还需要通过光传感器的实验来解决另一个障碍,即在对塑料饮料和纸类饮料垃圾进行分离和分类时,要保证其可靠性和较小的误差。这是由于光刻胶RC时间法的高度不一致性造成的。图7显示了智能分拣回收站原型的内部隔间。

图7:智能分拣回收箱内部隔室

结论

在文献综述的基础上,利用现有的先进传感器和材料分类技术,开发出一种可用于公共场所和家庭的小型自动分选回收站,可以提高其精度、可靠性和建设成本。单板计算机(SBC)的进步,如覆盆子Pi等,通过使用智能控制算法,将系统接口与组件结合起来,使系统能够更好、更精确地控制所有系统动作,从而为该系统在小规模、低功耗、小体积产品上提供更大的工作空间,因此,与市场上的其他产品相比,这种原型产品更轻、更高效、更环保、更便宜。

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