基于AIOT技術的垃圾分類系統(tǒng)方案設計

顏謙和 顏珍平

（湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南株洲 412001）

1 引言

隨著社會生活水平和工業(yè)水平的不斷提高，產(chǎn)生的垃圾種類隨之增多，垃圾分類處理的復雜度和難度不斷增大，世界各國也采取了相應措施進行解決，保障全人類的生活環(huán)境和質(zhì)量[1]。據(jù)統(tǒng)計，全球每年產(chǎn)生近4.9億噸垃圾，其中1.5億噸在中國城市。垃圾是未充分利用的資源，加強垃圾分類處理，進行垃圾污染治理，減少廢物的產(chǎn)生量，是加快推進城市現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障[2]。2019年《上海市生活垃圾管理條例》實行，標志著我國真正將“垃圾分類”納入法治框架[3]。2020年9月株洲市正式出臺了《株洲市城市生活垃圾分類工作實施方案》，標志著株洲生活垃圾分類進入實施階段。

本文旨在探討應用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術，建立一套高智能的綜合性垃圾分類管理系統(tǒng)方案，提高城市垃圾分類處理效率，更好地滿足居民需求，加快城市生態(tài)環(huán)境建設，建設美麗生態(tài)株洲。

2 系統(tǒng)方案設計

我國自國務院發(fā)出《生活垃圾分類制度實施方案》(國辦發(fā)〔2017〕26號)以來，各種智能垃圾分類處理裝置應運而生，通過媒體和學校進行了大量的垃圾分類宣傳和教育活動，在一定程度上加強了對垃圾分類處理的認識[4]。但是垃圾分類處理在很多領域還只停留在形式上，沒有得到根本性的解決，主要表現(xiàn)在雖然各區(qū)域在垃圾收集點分設了可回收垃圾、不可回收垃圾和有害垃圾桶，但是在實際分類中，市民沒有按要求進行分類投放，且在垃圾運輸過程，垃圾運輸車將各類垃圾又倒在同一個車箱內(nèi)運輸。

據(jù)調(diào)研分析，其問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，政策宣傳引導力度不夠，沒有達到時刻提醒的效果，市民沒有開展系統(tǒng)學習并將政策落實；第二，政府監(jiān)督不夠，沒有以社會公德標準要求來提高人民的社會素養(yǎng)，共同遵守“垃圾處理，人人有責”條例；第三，垃圾分類處理設備智能化不夠，品種雜亂，給市民統(tǒng)一認識和使用上帶來障礙，國家沒有統(tǒng)一設置垃圾處理設備[5]。

根據(jù)前期調(diào)研分析，要實現(xiàn)垃圾分類工作落到實處，要自上而下采取定時定點定員分類，專管員值守，集宣傳、監(jiān)督和指導于一體，提高垃圾分類推進力度；在公共機構、學校、企業(yè)等組織推動分類習慣養(yǎng)成，實現(xiàn)垃圾分類處理全覆蓋；制定基層數(shù)量化考評標準、重建標準化物業(yè)垃圾服務合同、前端獎罰分明，促進基層、物業(yè)、居民有效參與垃圾分類工作[6]。

對此，本文研究設計了一套基于人工智慧物聯(lián)網(wǎng)技術的垃圾分類綜合解決系統(tǒng)方案，實現(xiàn)對垃圾的自主識別、智能分類的物聯(lián)網(wǎng)云垃圾處理服務平臺，本平臺構架主要包括手機APP應用和下位機兩大功能模塊，總體框架如圖1所示。

圖1 “物聯(lián)網(wǎng)云垃圾處理服務平臺”系統(tǒng)方案框架圖

本系統(tǒng)方案主要由4部分組成：感知執(zhí)行設備、網(wǎng)關設備、云平臺設備和移動終端設備組成。感知設備主要集成在垃圾分類投放處理裝置中，采用有線接口與嵌入式ARM網(wǎng)關相連，ARM網(wǎng)關通過NBIOT無線通信技術連接到互聯(lián)網(wǎng)中，與物聯(lián)網(wǎng)云垃圾處理服務平臺進行數(shù)據(jù)通信，可將下位機中傳感數(shù)據(jù)（如垃圾重量、垃圾類型、垃圾存儲量等）上傳到云平臺，手機端垃圾處理APP獲取云平臺的數(shù)據(jù)，并可向云平臺發(fā)送指令來控制下位機中的可執(zhí)行模塊（如報警模塊、垃圾推出模塊等），其中網(wǎng)關設備和云平臺設備主要起到數(shù)據(jù)轉發(fā)和存儲的作用。

3 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)中手機APP應用功能模塊主要為用戶對垃圾處理提供信息支持、監(jiān)督評價功能，下位機功能主要為用戶提供與垃圾分類投放處理裝置的交互操作，并將執(zhí)行結果上傳到云平臺。

3.1 手機APP應用模塊

手機APP應用模塊設計兩種用戶模式，一種是垃圾投放人員模式，另一種是垃圾處理工作人員模式。其中垃圾投放人員擁有5個功能：垃圾處理知識學習、垃圾投放點搜索、掃碼登錄垃圾處理終端、垃圾處理記錄查詢、垃圾處理違規(guī)投訴；垃圾處理工作人員擁有3種功能模塊：垃圾處理信息查詢、垃圾處理記錄提交、垃圾處理信息反饋。

3.1.1 垃圾處理知識學習

垃圾處理知識學習模塊對垃圾分類的國家文件、有害垃圾對人類的影響、回收垃圾的利用價值、垃圾處理的方法、垃圾分類處理系統(tǒng)的操作說明等方面進行宣傳，做到宣傳知識全面，宣傳范圍無死角，將宣傳內(nèi)容資源碎片化、微課化資源存儲在云服務器上。采用Android技術開發(fā)手機移動端APP軟件，與云服務平臺進行通信，實現(xiàn)云服務器上資源查看和訪問，其功能主要包括垃圾分類處理系統(tǒng)操作流程、垃圾處理案例庫、垃圾處理要聞、垃圾處理知識答題等，系統(tǒng)根據(jù)個人的學習情況，生成個人積分報表，為表揚和激勵市民提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.1.2 垃圾投放點搜索

本模塊采用北斗導航技術實現(xiàn)垃圾投放點的搜索功能。首先為每個投放處理點登記地址，在APP中開發(fā)北斗導航模塊，通過導航搜索附近的垃圾分類投放點，方便用戶即時找到最近的垃圾投點。

3.1.3 掃碼登錄垃圾處理終端

在進行垃圾投放時，垃圾分類投放處理終端設備上有一個動態(tài)二維碼，市民通過手機微信掃描功能二維碼登錄垃圾處理云平臺，云平臺通過NBIOT通信模塊向垃圾處理終端設備發(fā)送指令，啟動垃圾終端設備進行垃圾處理工作，終端設備嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動語音模塊引導市民按照系統(tǒng)處理流程進行處理，市民處理完成后，終端設備通過NBIOT通信模塊上傳垃圾投放數(shù)據(jù)到云平臺，并自動關閉本次垃圾處理流程，云平臺對上傳的數(shù)據(jù)進行分析，將垃圾處理結果和積分登記在市民個人賬戶上，以便市民對處理工作進行評價。垃圾投放處理流程圖如圖2所示。

圖2 垃圾投放處理流程圖

3.1.4 垃圾處理記錄查詢

市民可能通過記錄查詢模塊查看自己垃圾處理的系統(tǒng)評價，包括個人賬戶上的積分等。通過查看記錄明細的積分情況，讓市民更加熟悉垃圾分類投放的正確操作，相關信息可為評選優(yōu)秀市民、五好家庭、三好學生等活動提供支撐數(shù)據(jù)；另外，市民可根據(jù)自己的積分在垃圾處理裝置中免費兌換到相應獎品（如分類垃圾袋等），提高市民垃圾處理的積極性。

3.1.5 垃圾處理違規(guī)投訴

在現(xiàn)有垃圾處理過程中，發(fā)現(xiàn)有垃圾分類工作人員將分類好的垃圾統(tǒng)一放在同一個垃圾集裝箱內(nèi)，這種行為將市民垃圾分類處理的成果付之東流，打消了市民垃圾處理的積極性。因此，市民可利用手機APP端的垃圾處理違規(guī)投訴功能，進行隨時隨地投訴；當市民在投放垃圾時發(fā)現(xiàn)存儲箱已滿也可以通過此功能模塊進行投訴。通過此模塊的設計，可實現(xiàn)對垃圾分類工作的有效監(jiān)督與管理。

3.1.6 垃圾處理信息查詢

垃圾分類工作人員通過垃圾處理信息查詢模塊可即時查詢自己職責范圍內(nèi)垃圾投放點中各垃圾存儲箱的飽和狀況，系統(tǒng)可根據(jù)垃圾的投放點位置，規(guī)劃出垃圾分類收集的路線，提高垃圾分類收集的效率。

3.1.7 垃圾處理記錄提交

垃圾分類工作人員到達垃圾投放點后，用手機掃描垃圾分類投放裝置上的動態(tài)二維碼，進入系統(tǒng)垃圾收集流程，啟動語音設備進行引導處理，處理完成后，退出系統(tǒng)垃圾處理流程，并向云平臺提交垃圾處理記錄，此模塊的設計方便管理部門對垃圾分類工作人員進行評價，并為工作人員的酬勞提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1.8 垃圾處理信息反饋

垃圾分類工作人員通過信息反饋模塊查詢自己管理區(qū)域的垃圾分類處理記錄詳情，系統(tǒng)根據(jù)垃圾投放點垃圾重量和垃圾收集站的距離，通過大數(shù)據(jù)精準測算工作人員每次垃圾分類及處理的酬勞；工作人員通過查看垃圾處理中違規(guī)記錄，及時進行糾正。

3.2 下位機模塊

下位機主要包括7個功能模塊，由嵌入式網(wǎng)關將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云并通過云端進行控制，包括語音模塊、垃圾分類投放、垃圾稱重、垃圾掃描、垃圾存儲監(jiān)測、垃圾投放報警和垃圾存儲箱推出模塊。通過手機APP與下位機功能相結合，上下數(shù)據(jù)對接傳輸，對垃圾分類工作監(jiān)督提供數(shù)據(jù)支持，最終實現(xiàn)垃圾科學投放、有效處理。

3.2.1 語音模塊

語音提示模塊主要是針對垃圾分類投放設備流程進行語音播報，對垃圾投放設備不熟悉人員進行操作提示，避免垃圾分類投放的錯誤操作，提高智能裝置的親民性和垃圾分類投放的正確率。

3.2.2 垃圾分類投放

垃圾可分為可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾等幾類，市民通過垃圾處理學習模塊中的知識進行垃圾分類裝袋，選擇分類好的垃圾按鈕，再將垃圾投入垃圾箱入口，垃圾投放處理裝置將垃圾投入相對應的存儲箱中。

3.2.3 垃圾稱重

在垃圾存儲箱上安裝了重量傳感器，將投放前和投放后的數(shù)據(jù)進行采集，得出本次垃圾的重量，將采集結果上傳到云平臺，為垃圾投放市民進行積分提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2.4 垃圾掃描

在有害垃圾以外的其余垃圾箱入口處安裝攝像頭，對垃圾進行掃描，采用AIOT技術對圖片進行邊緣計算分析，如果發(fā)現(xiàn)其中夾雜有害垃圾，將該垃圾投入到有害垃圾箱，向云平臺提交掃描結果，并通過手機中垃圾處理信息查詢模塊提醒市民。

3.2.5 垃圾存儲箱監(jiān)測和報警模塊

在垃圾存儲箱上裝有紅外掃描器，動態(tài)掃描垃圾箱的垃圾存儲量，并即時將結果上傳到云平臺，根據(jù)云平臺中設置的閾值分析，及時向垃圾處理人員發(fā)出垃圾收集信號；如果垃圾未及時被垃圾處理人員收走，垃圾箱會發(fā)出報警信息，提醒市民另找垃圾投放點，并將結果上傳云平臺。

3.2.6 垃圾存儲箱推出模塊

當垃圾處理人員到達投放點收集垃圾時，根據(jù)垃圾收集流程將存儲箱自動推出，減少垃圾處理的工作量，提高垃圾收集的效率。

4 結語

垃圾分類是城市治理體系的重要組成部分，關系到民生、生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展，考驗著基層治理的能力和智慧。本文利用人工智能物聯(lián)網(wǎng)技術設計的垃圾分類系統(tǒng)方案，通過移動端APP實現(xiàn)基于無線通信技術的硬件模塊間的數(shù)據(jù)交互，各個模塊之間緊密聯(lián)系相互配合，能有效地解決現(xiàn)階段垃圾分類難題，減輕工作人員的勞動強度，提高環(huán)境衛(wèi)生水平，給城市生活帶來更人性化的服務。