基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的智能垃圾分類處理系統(tǒng)

胡凱浩 吳國平 浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

引言：隨著文明社會的發(fā)展，人們對環(huán)境的要求逐步提高?？v觀整個(gè)世界，近些年來，各國將巨大的金融資金投入到環(huán)境治理與保護(hù)部門。人們的環(huán)境保護(hù)意識逐步提高。中國一直主導(dǎo)創(chuàng)建環(huán)境友好型社會，但我國垃圾處理方式單一，導(dǎo)致垃圾處理設(shè)施建設(shè)和管理長期處于滯后的狀態(tài)中。

因此，我國垃圾處理問題日趨嚴(yán)重，迫在眉睫。特別是街頭已滿卻未處理的垃圾箱數(shù)量大幅度攀升，使得整個(gè)社會的環(huán)境質(zhì)量逐漸惡化。垃圾箱內(nèi)的垃圾長時(shí)間不處理，會產(chǎn)生化學(xué)變化而發(fā)出臭味。從而影響環(huán)境問題。垃圾處理方式的單一性，足以導(dǎo)致因垃圾填埋將空氣中的甲烷含量增加，最終使甲烷爆炸。

所以，為了制止生活垃圾對環(huán)境造成的惡化，讓城市生活更加美好，逐步提升城市保潔效率，提高對垃圾箱的監(jiān)測與監(jiān)管能力。對現(xiàn)有的智能垃圾分類處理系統(tǒng)的優(yōu)化存在一定的必要性。結(jié)合現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各系統(tǒng)模塊進(jìn)行連接，將完成對垃圾進(jìn)行激勵(lì)智能管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測和環(huán)保人員智能調(diào)度等功能。

1.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾分類處理系統(tǒng)的介紹

智能垃圾分類處理系統(tǒng)基本模塊工作原理如圖 1所示。

圖 1 基本模塊工作原理圖

智能垃圾分類處理系統(tǒng)是由電源模塊、紅外線傳感射頻模塊、壓力傳感檢測模塊、ZigBee無線傳輸模塊、自動(dòng)粉碎與降解模塊、RFID系統(tǒng)模塊、單片機(jī)傳感模塊等七大模塊組成。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用的主要原理是將無線傳感系統(tǒng)、智能監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)粉碎與降解系統(tǒng)、自動(dòng)分類分層系統(tǒng)相互結(jié)合，從而使垃圾桶清潔更加智能與快捷。本系統(tǒng)所采用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次架構(gòu)如圖 2所示。

圖 2 智能垃圾分類處理系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次架構(gòu)

當(dāng)人們手中的垃圾將要投入智能垃圾桶的時(shí)候，智能垃圾分類處理系統(tǒng)中的紅外線射頻模塊不斷的發(fā)出監(jiān)測信號，識別距離垃圾桶15cm-20cm范圍內(nèi)的物體。若人們手的距離垃圾箱開口的距離小于20cm時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的紅外線射頻模塊結(jié)合電源模塊開始工作，通過ZigBee短距離傳輸模塊，將信息傳輸給相對應(yīng)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到信息，自動(dòng)彈開垃圾桶開口。開口開啟保持時(shí)間設(shè)置在5秒后自動(dòng)關(guān)閉。待垃圾桶開口超過5秒，終端系統(tǒng)傳輸信息返回到開關(guān)節(jié)點(diǎn)，垃圾桶開口自動(dòng)關(guān)閉。

紅外線射頻模塊工作算法如圖 3所示。

圖 3 紅外線射頻模塊算法設(shè)計(jì)圖

垃圾投入垃圾箱內(nèi)的第一層。RFID系統(tǒng)模塊開始工作，自動(dòng)識別第一層垃圾箱內(nèi)各類垃圾上面附著的條碼信息。根據(jù)條碼信息以及系統(tǒng)軟件編程內(nèi)的歸類方法把信息傳輸給自動(dòng)分類分層系統(tǒng)模塊。自動(dòng)分類分層系統(tǒng)模塊在接收到信息后，將垃圾進(jìn)行分類的處理。主要采用垃圾箱內(nèi)部層與層之間投入的分類方法。垃圾箱內(nèi)的第一層RFID識別系統(tǒng)有別于下面四層中的RFID識別系統(tǒng)。第一層RFID識別系統(tǒng)將無法識別的垃圾或沒有帶條碼的垃圾仍然停留在第一層。將能識別帶有條碼的垃圾依次投入下一層中。垃圾箱的每一層中都裝有RFID系統(tǒng)模塊和自動(dòng)分類分層系統(tǒng)模塊。當(dāng)垃圾上標(biāo)簽識別信息后的數(shù)據(jù)符合當(dāng)層的信息，便會把此垃圾停留在本層垃圾箱內(nèi)。若不符合則投入下一層垃圾箱。以此類推，進(jìn)行垃圾分類。智能垃圾桶內(nèi)部分層設(shè)計(jì)如圖 4所示。

圖 4 智能垃圾桶內(nèi)部設(shè)計(jì)圖

垃圾箱內(nèi)每一層都裝有壓力傳感器。當(dāng)某一層中的垃圾數(shù)超過一定范圍時(shí)候。壓力傳感器監(jiān)測到重力信息，把數(shù)據(jù)通過ZigBee短距離傳輸給自動(dòng)粉碎和降解模塊。自動(dòng)粉碎和降解模塊根據(jù)軟件程序設(shè)計(jì)功能進(jìn)行必要的粉碎或者降解技術(shù)。在完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和處理之后。再將信息傳輸給單片機(jī)模塊系統(tǒng)。單片機(jī)模塊系統(tǒng)接收并整合各層垃圾數(shù)量信息后，傳輸給系統(tǒng)中指定的計(jì)算機(jī)或者軟件信息（例如APP、微信等）。

智能垃圾處理系統(tǒng)中RFID系統(tǒng)還有自動(dòng)識別技術(shù)。此系統(tǒng)會對打掃垃圾桶的人員的磁卡進(jìn)行一個(gè)數(shù)據(jù)的讀寫。當(dāng)保潔公司接收到單片機(jī)傳輸?shù)男畔⒅?，派專門的保潔員前往垃圾桶進(jìn)行打掃時(shí)候，保潔員應(yīng)該在垃圾箱的右側(cè)刷入磁卡。這時(shí)RFID系統(tǒng)自動(dòng)識別保潔員卡中的信息，并且記錄打掃時(shí)間，打掃次數(shù)。有利于提高保潔公司對保潔員的考核工作。

2.智能垃圾桶研究現(xiàn)狀分析

閱讀有關(guān)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)智能垃圾分類系統(tǒng)的研究等報(bào)告?，F(xiàn)有的智能垃圾桶研究中存在的問題如下所述：

有智能，未解決本質(zhì)性的垃圾處理問題。雖然結(jié)合了現(xiàn)有的RFID系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來解決垃圾自動(dòng)分類的問題，但并未考慮到垃圾溢滿時(shí)候的清理效率及時(shí)性問題。這是現(xiàn)有智能垃圾分類系統(tǒng)中存在的最主要問題之一。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，卻未全面利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。社會上大部分現(xiàn)有的智能垃圾分類處理系統(tǒng)主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的WSN節(jié)點(diǎn)連接、RFID系統(tǒng)、傳感器等主要技術(shù)來設(shè)計(jì)此分類系統(tǒng)。表面上看起來已經(jīng)將垃圾分類，也確實(shí)融入了ZigBee短距離傳輸功能，并發(fā)送數(shù)據(jù)給指定的計(jì)算機(jī)，卻并沒有做到完全的智能?？梢栽谠械南到y(tǒng)中融入一個(gè)自動(dòng)粉碎與可降解模塊，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將自動(dòng)粉碎與可降解模塊和傳輸技術(shù)進(jìn)行連接，切實(shí)提升保潔人員處理垃圾箱的效率。

內(nèi)部模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)粗糙，未考慮實(shí)質(zhì)性的問題。在系統(tǒng)內(nèi)部，如何將ZigBee短距離傳感、紅外線射頻傳感和其它各類傳感器的傳感做一個(gè)區(qū)分。若區(qū)分不合理，將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，從而不能解決實(shí)質(zhì)性問題。

3.浙江省紹興市垃圾分類現(xiàn)狀

人們的生活質(zhì)量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐漸趨向于高標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)。環(huán)境是提升生活質(zhì)量的主要因素之一，而垃圾分類與處理問題一直都是影響環(huán)境保護(hù)的難題之一。

居民垃圾分類意識薄弱。據(jù)調(diào)查，紹興市的廣大居民主動(dòng)參與垃圾分類的積極性不高，意識薄弱。紹興市生活節(jié)奏快，對生活要求更加便捷。對于普通的投遞垃圾的方式難以被接受。垃圾投遞的方式處于單一性，更多的則是按照自我意愿進(jìn)行投遞。因此，垃圾分類投遞難以成效的最主要原因則是居民對垃圾分類的盲目性。

目前生活中缺乏有效的垃圾分類系統(tǒng)。紹興市眾多垃圾場目前對居民生活垃圾的處理方式大多是焚燒或填埋。這不僅會對環(huán)境造成再次的污染，還會嚴(yán)重影響土地資源。各大環(huán)保公司等投入了大量的人力勞動(dòng)，但得不到預(yù)期的理想效果。在垃圾分類與處理方面遠(yuǎn)不及相關(guān)專業(yè)企業(yè)做得好。因此，智能垃圾分類處理系統(tǒng)的研究存在迫切性。

據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，紹興市的垃圾分類處理的宣傳大于實(shí)際操作的意義。雖有逐步推進(jìn)對于智能垃圾分類處理系統(tǒng)的建設(shè)與完善，但仍處于一種常態(tài)化的現(xiàn)狀。居民雖有垃圾分類處理的意識，但在實(shí)現(xiàn)方面任不盡人意。所以，使用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對智能垃圾桶的完善具有重要意義。

4.智能垃圾分類處理系統(tǒng)的科學(xué)性

信息的收集和采用具有科學(xué)性。首先我們分析國內(nèi)有關(guān)于智能垃圾分類處理系統(tǒng)的工作原理，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的智能垃圾處理分類系統(tǒng)的不足點(diǎn)。但隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，將垃圾處理與科學(xué)技術(shù)的結(jié)合發(fā)展必然是如今環(huán)境保護(hù)中十分重要的趨勢之一。另一方面來說，如今的RFID技術(shù)和短距離傳輸?shù)墓δ茉谌藗兊纳钪腥遮咉w現(xiàn)。微信、APP等相關(guān)軟件的普及正順應(yīng)著人們生活方式的潮流。

同時(shí)，研究了現(xiàn)在中國境內(nèi)相對發(fā)達(dá)的省會城市都對智能垃圾分類的處理方式表示感興趣。在短期內(nèi)對各大保潔公司、大型公共場所進(jìn)行問卷調(diào)查，搜集數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析，也得出如今智能垃圾的分類處理方式或許是大多數(shù)人比較容易接受的垃圾處理方式之一。

實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)。與之前的智能垃圾分類處理系統(tǒng)相比，此研究項(xiàng)目具有以下三點(diǎn)實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)：①系統(tǒng)分模塊處理；②借助最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行；③切實(shí)提高垃圾桶清潔效率。整個(gè)研究項(xiàng)目中最為新穎的部分則為運(yùn)用最新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的創(chuàng)新。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層融合，使整個(gè)系統(tǒng)功能性更加完善。傳輸更加快捷安全。

5.智能垃圾分類處理系統(tǒng)的先進(jìn)性

一個(gè)國家的環(huán)境保護(hù)問題必定要從提高對科學(xué)技術(shù)的合理運(yùn)用做起。在提高自身思想素質(zhì)的前提下，切實(shí)結(jié)合科學(xué)技術(shù)和問題的關(guān)鍵所在點(diǎn)。并且，如今的環(huán)境問題也成為了社會乃至全球的焦點(diǎn)問題之一。因此，此研究基于環(huán)境保護(hù)問題，結(jié)合科學(xué)技術(shù)，優(yōu)化現(xiàn)有的系統(tǒng)，緩解環(huán)境污染問題，新穎程度高，實(shí)用性強(qiáng)，選題走在前沿。

研究顯著進(jìn)步。關(guān)于智能垃圾分類處理系統(tǒng)的問題大部分還是以箱內(nèi)垃圾數(shù)量堆積多、垃圾箱無法及時(shí)清理、垃圾箱內(nèi)的垃圾無法進(jìn)行預(yù)期的合理分類為主。因此，本項(xiàng)目加入RFID模塊，并且在垃圾存放次序從上到下按照指定垃圾存放。每一層垃圾箱內(nèi)的內(nèi)部都仍然裝有RFID傳感模塊，對再次放入對應(yīng)層的垃圾進(jìn)行掃描，確保垃圾放入無錯(cuò)誤。當(dāng)紙質(zhì)分類垃圾層的垃圾數(shù)量達(dá)到額定值時(shí)候，壓力傳感器模塊會發(fā)送信息給自動(dòng)粉碎模塊要求其進(jìn)行粉碎工作（類似于碎紙機(jī)工作原理）。當(dāng)層內(nèi)垃圾達(dá)到額定值由壓力傳感器發(fā)送信息給壓縮機(jī)，進(jìn)行一個(gè)塑料的壓縮。還采用單片機(jī)技術(shù)，以確保信息的傳輸更加快捷、準(zhǔn)確、及時(shí)、方便等功能。為切實(shí)提高垃圾桶的清潔率做出最大的貢獻(xiàn)。

6.采用移動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”和物聯(lián)網(wǎng)模式的優(yōu)勢

就消費(fèi)者（相關(guān)政府、環(huán)保保潔公司）而言，消費(fèi)者可以在微信平臺訂閱商家（智能垃圾桶開發(fā)商）服務(wù)號，及時(shí)地通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)獲得定點(diǎn)監(jiān)測垃圾箱的狀態(tài)功能。

就商家（智能垃圾桶開發(fā)商）而言，運(yùn)用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺，將社會中的問題給予解決，為社會環(huán)境文明貢獻(xiàn)綿薄之力。

就廣大居民群眾而言，智能垃圾箱的設(shè)計(jì)與平臺建設(shè)的成功運(yùn)用，將會逐漸改善環(huán)境衛(wèi)生，使環(huán)境污染問題逐漸趨于常態(tài)化，同時(shí)也能不斷提醒廣大群眾，應(yīng)不斷提升自我環(huán)保意識，增強(qiáng)自身行為控制，使得我國生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)。

7.結(jié)語

依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)有智能垃圾桶的完善是一個(gè)創(chuàng)新應(yīng)用，是推進(jìn)智慧城市的重要手段。其中涉及到無線傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)等相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)都是推進(jìn)我國智能化建設(shè)的必要手段。而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾分類處理系統(tǒng)的研究必將對發(fā)展社會經(jīng)濟(jì)、社會民生具有很強(qiáng)的社會價(jià)值屬性。