多功能烟头收集器的三维结构设计

张敬 徐嘉良

摘 要：香烟在燃烧后产生的废弃烟头对环境是一大危害，因此对烟头的收集及处理具有重要意义。针对城市烟头收集问题，设计了一种多功能烟头收集器，利用三维软件设计了收集器的整体结构。采用光伏板将太阳能转化为电能给收集器提供电源，结合PLC编程控制，实现了自动点烟、自动统计烟头数量、自动监控电量、传输数据等功能。该烟头收集器可布置于阳光充足的城市区域，其推广和应用对于环境保护和智慧城市建设具有积极意义。

关键词：烟头;光伏板;Wi-Fi;结构设计;PLC

中图分类号：X705  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）13-0023-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.007

0    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[1-2]。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5.5万亿支，可产生烟蒂约76.7 t，仅中国每年就超过了1.8亿支[3-4]。世界卫生组织指出，到2025年，全球烟民人数将升至17亿人以上。根据国家统计局提供的最新数据，2021年全国卷烟产量为24 182.4亿支。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[5]。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2～3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[6-8]。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[5]。文献[9]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[10]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[11]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1 200 mm，剖面六边形边长为220 mm;顶部为斜面，与水平面夹角为27°;LED屏幕大小为166 mm×102 mm，光伏板1尺寸为260 mm×270 mm，光伏板2、3、4尺寸均为700 mm×170 mm。收集器三维结构背面如图2所示，旋转门在打开状态，内桶（收集桶）为直径150 mm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[12]，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[13]。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，为实现收集器自給自足供电，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27°，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[14]。采用PLC控制器对信号进行采集、接收、处理和控制，适用24 V直流电源，PLC的内部主要由中央处理器CPU（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10 s，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。

2.3    LED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。

[参考文献]

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[14] 梁进，曾丽颖，陈善策.PLC控制技术[M].天津：天津科学技术出版社，2021.

收稿日期：2022-04-20

作者简介：张敬（1978—），男，陕西延安人，MBA，工程师，延安市烟草公司宝塔分公司副经理，主要从事党建、卷烟营销、企业管理、绩效管理、科技创新、精益管理、纪检监察等工作。