基于RFID 和ZigBee 的智能垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳欣，王欽華，李慧，趙娜，郭慧敏

（南京工業(yè)大學(xué) 浦江學(xué)院，江蘇南京，211200）

0 引言

目前，我國垃圾分類技術(shù)還處于分類工作量大、分類效率低、分類成本高的人工分揀階段。傳統(tǒng)的垃圾分類模式采用每天固定時(shí)間、固定車輛到各個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行垃圾回收的方式，對于每個(gè)垃圾桶產(chǎn)生的垃圾量的信息和垃圾收集情況掌握甚少[1]。大部分居民的垃圾分類意識(shí)薄弱，加之日常工作繁忙，難以做到對垃圾進(jìn)行細(xì)致分類，導(dǎo)致垃圾分類成為擺設(shè)[2]。此外，很多居民對可回收和不可回收的概念尚不明確，無法對垃圾進(jìn)行有針對性的、有效的、初步的分類[3]，增加了環(huán)衛(wèi)工作者的工作難度。因此，為提高環(huán)衛(wèi)工作者的工作效率，增強(qiáng)人們的垃圾分類意識(shí)，設(shè)計(jì)出一款多功能的智能垃圾分類系統(tǒng)有其重要意義。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

智能垃圾分類系統(tǒng)主要由智能垃圾箱和用戶小程序兩部分組成。智能垃圾箱的功能模塊主要有六個(gè)：掃描模塊、RFID 模塊、稱重模塊、溫度測量模塊、滿溢檢測模塊、垃圾袋取用模塊。用戶小程序的功能模塊主要包含身份碼模塊、積分兌換模塊、預(yù)約回收模塊和違規(guī)查詢模塊。其中，用戶小程序中各模塊的具體功能如下：

（1）身份碼模塊：居民登錄小程序獲取屬于個(gè)人的身份碼，該身份碼即含有居民身份信息的二維碼。居民可以通過該二維碼驗(yàn)證自己的身份，從而領(lǐng)取帶有RFID 標(biāo)簽的垃圾袋。

（2）積分兌換模塊：用戶可以在小程序中查詢積分情況，累計(jì)的積分不僅可以用來免費(fèi)領(lǐng)取帶有RFID 標(biāo)簽的垃圾袋，還可以用來兌換各類獎(jiǎng)品。

（3）預(yù)約回收模塊：該功能模塊建立在與回收站的聯(lián)系上，當(dāng)居民有大件垃圾搬運(yùn)艱難、丟棄困難等問題時(shí)，可點(diǎn)擊“一鍵預(yù)約”，并設(shè)定上門回收的時(shí)間，從而讓相關(guān)人員上門回收。上門回收完成后，居民既可以選擇回收變現(xiàn)，也可以選擇通過積分的形式獲取獎(jiǎng)勵(lì)。

（4）違規(guī)查詢模塊：在該模塊中，用戶可查詢到自己的一些歷史違規(guī)行為。比如，當(dāng)居民投放的垃圾因溫度異常使垃圾箱發(fā)出警報(bào)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)記錄該居民的錯(cuò)誤行為并自動(dòng)扣除相應(yīng)的積分。

本系統(tǒng)的主要功能模塊圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 掃描模塊設(shè)計(jì)

智能垃圾箱內(nèi)嵌的掃描模塊利用LV4200 二維碼掃描器，對含有居民身份信息的二維碼進(jìn)行掃描識(shí)別從而驗(yàn)證居民身份。在數(shù)據(jù)采集和二維碼自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上，內(nèi)嵌掃描模塊的智能垃圾箱充分利用二維碼賦碼功能以及LV4200 掃描模塊卓越的識(shí)讀性能，實(shí)現(xiàn)對居民身份的識(shí)別和居民投放垃圾的記錄，同時(shí)借助積分管理系統(tǒng)對用戶的相關(guān)行為改變對應(yīng)的積分。

2.2 RFID 模塊設(shè)計(jì)

該模塊通過RFID 電子標(biāo)簽與天線之間進(jìn)行射頻信號的空間耦合，并在耦合通道內(nèi)根據(jù)時(shí)序關(guān)系完成數(shù)據(jù)的交換和能量的傳遞，最終實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀寫操作。RFID 的工作原理圖如圖2 所示。

圖2 RFID 的工作原理

利用射頻識(shí)別技術(shù)制作的帶有RFID 標(biāo)簽的垃圾袋，與居民的個(gè)人身份信息進(jìn)行綁定，居民通過掃描身份碼來領(lǐng)取一定數(shù)量的垃圾袋。當(dāng)居民投放垃圾時(shí)，垃圾袋上的RFID標(biāo)簽進(jìn)入到閱讀器有效識(shí)別的范圍內(nèi)，RFID 閱讀器便會(huì)自動(dòng)識(shí)別垃圾袋上的標(biāo)簽并打開相應(yīng)的垃圾箱蓋，從而確保垃圾的正確投放。每投放一次垃圾，居民的投放行為將會(huì)被記錄并得到相應(yīng)的積分，獲得的積分會(huì)累計(jì)到居民的個(gè)人積分賬戶里。

2.3 稱重模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要用于垃圾的稱重，其利用的HX711 重力傳感器[4]具有高集成度、高響應(yīng)度、強(qiáng)抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其芯片電子秤的成本較低，提高了性能和可靠性。

當(dāng)垃圾被投放到不同垃圾桶里時(shí)，通過重力傳感器收集垃圾重量情況。達(dá)到一定重量時(shí)，系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸，將超重信息傳給控制中心，該垃圾桶將即刻報(bào)警并停止運(yùn)作，直至維護(hù)人員處理完方可正常運(yùn)作。同時(shí)，重力傳感器還可以對居民每次投放的可回收垃圾進(jìn)行稱重，并計(jì)算垃圾的回收量。系統(tǒng)對投放可回收垃圾的居民會(huì)發(fā)放相應(yīng)積分，發(fā)放的積分與垃圾的回收量成正比。

2.4 溫度測量模塊設(shè)計(jì)

借助溫度傳感器對環(huán)境很敏感的特性，該模塊采用PTC熱敏電阻[5]，對垃圾桶內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行檢測。該熱敏電阻同時(shí)連接一個(gè)報(bào)警裝置，起到“開關(guān)”的作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻增加并限制電流增加，從而啟動(dòng)報(bào)警裝置。系統(tǒng)接收到報(bào)警提醒后將會(huì)立即通知維護(hù)人員進(jìn)行處理，避免一切由煙頭、明火等原因引起的火災(zāi)。

2.5 滿溢檢測模塊設(shè)計(jì)

該模塊應(yīng)用超聲波傳感技術(shù)對垃圾桶內(nèi)垃圾的高度進(jìn)行檢測。通過超聲波傳輸檢測到物體返回所需要的時(shí)間值得到被測物體與檢測器之間的實(shí)際距離，從而判斷垃圾箱的滿溢程度。當(dāng)垃圾裝滿到一定程度并輸出滿溢信號時(shí)，信號將發(fā)送到遠(yuǎn)程接收平臺(tái)，向維護(hù)人員發(fā)出清理垃圾的指令。

超聲波測距原理：由超聲波的發(fā)射端發(fā)射一束超聲波并開始計(jì)時(shí)，發(fā)射出去的超聲波在介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到障礙物時(shí)就會(huì)反射回來，超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時(shí)，計(jì)時(shí)停止。測距公式：

式中，L為測量的距離長度；C為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；T為測量出的傳播時(shí)間的一半。

2.6 ZigBee 模塊設(shè)計(jì)

主要采用ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，由協(xié)調(diào)器、路由器和終端傳感器三部分組成。其中，終端傳感器主要用于采集和傳輸所需數(shù)據(jù)，確保這些數(shù)據(jù)順利傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器借助接口呈現(xiàn)到PC 端[6]。

基于ZigBee 無線通信技術(shù)的智能垃圾分類系統(tǒng)包括：定位信號接收系統(tǒng)，用于接收顯示所屬區(qū)域內(nèi)各個(gè)垃圾桶內(nèi)部情況信息；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于連接定位信號接收系統(tǒng)，并將小區(qū)內(nèi)的智能垃圾箱都覆蓋在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集各個(gè)垃圾桶內(nèi)部情況信息，最后將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器對其監(jiān)管。

3 系統(tǒng)部分軟件設(shè)計(jì)

用戶小程序主要由用戶個(gè)人中心、積分兌換和用戶意見反饋三部分組成。其主要用于加強(qiáng)居民生活垃圾的管理，使垃圾分類工作更加人性化、簡易化和智能化。居民在小程序中通過手機(jī)號進(jìn)行注冊，注冊完成后返回登錄界面，輸入賬號和密碼即可登錄。用戶登錄界面如圖3 所示。

圖3 用戶登錄界面

3.1 個(gè)人中心模塊設(shè)計(jì)

該模塊包含用戶身份碼、積分查詢、違規(guī)記錄查詢?nèi)齻€(gè)子模塊。首先，“用戶身份碼”即含有居民身份信息的識(shí)別碼，不僅可以用于確認(rèn)居民是否為本小區(qū)的住戶，還可以用于掃碼來領(lǐng)取帶有RFID 標(biāo)簽的垃圾袋。其次，用戶可以在“積分查詢”子模塊中查詢個(gè)人積分明細(xì)，包括積分的增加和減少原因、時(shí)間等信息，從而及時(shí)了解自己的積分變動(dòng)情況，有助于用戶更好地管理自己的積分。最后，“違規(guī)記錄查詢”子模塊內(nèi)記錄了用戶個(gè)人的相關(guān)違規(guī)歷史。用戶可通過該模塊知悉個(gè)人的違規(guī)情況，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)及時(shí)通知用戶有關(guān)積分變更情況和垃圾投放違規(guī)情況。個(gè)人中心界面如圖4 所示。

圖4 個(gè)人中心界面

3.2 積分兌換模塊設(shè)計(jì)

積分兌換模塊是智能垃圾分類系統(tǒng)中的核心功能模塊之一。該模塊主要由積分獲取規(guī)則、積分兌換商品、積分兌換活動(dòng)三部分組成。

積分獲取規(guī)則是系統(tǒng)為了激勵(lì)用戶參與垃圾分類而制定的一系列詳細(xì)規(guī)則。用戶可以通過完成系統(tǒng)指定的任務(wù)或參與活動(dòng)獲取積分，例如正確投放垃圾、參與社區(qū)活動(dòng)、發(fā)表用戶意見等。獲取的積分會(huì)實(shí)時(shí)增加到個(gè)人賬戶中，方便用戶隨時(shí)查看和兌換商品。

積分兌換商品是該模塊中最重要的一部分。用戶可以使用累積的積分兌換系統(tǒng)中的商品或服務(wù)，如垃圾袋、植物、上門回收服務(wù)等。系統(tǒng)根據(jù)商品的價(jià)值和用戶的積分情況，自動(dòng)計(jì)算出用戶需要支付的額外費(fèi)用。兌換完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)扣除用戶賬戶中相應(yīng)的積分，并發(fā)放商品或提供服務(wù)給用戶。

積分兌換活動(dòng)形式多樣，包括限時(shí)兌換、積分抽獎(jiǎng)、多倍積分等。通過這些活動(dòng)，智能垃圾分類系統(tǒng)可以吸引更多用戶的參與，提高用戶的參與度和兌換積極性。

3.3 用戶反饋模塊設(shè)計(jì)

為了能夠更高效地完成垃圾分類處理，完善垃圾分類管理機(jī)制，使得智能垃圾分類系統(tǒng)更加便捷地服務(wù)用戶，小程序中專門設(shè)計(jì)了用戶意見反饋模塊。用戶可以在該模塊內(nèi)自由發(fā)表對垃圾分類的不同見解，實(shí)現(xiàn)相互溝通交流，也可以通過該模塊向系統(tǒng)管理人員提出建議與需求。

同時(shí)，相關(guān)環(huán)保部門也可以利用平臺(tái)瀏覽用戶們的評論并吸取建議，加強(qiáng)與群眾的溝通，從而更好地完善垃圾處理制度，形成良性循環(huán)。

4 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

4.1 垃圾袋取用流程

當(dāng)居民通過二維碼掃描器掃描身份碼時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判別該居民是否為本小區(qū)的住戶，若該居民為本小區(qū)住戶，則同意該居民領(lǐng)取帶有RFID 標(biāo)簽的垃圾袋。領(lǐng)取垃圾袋的數(shù)量可根據(jù)自己的積分量決定，每領(lǐng)取一定垃圾袋，則消耗一定量的積分，如積分已全部消耗完，則無法領(lǐng)取垃圾袋。若居民不是本小區(qū)住戶，垃圾取袋機(jī)將拒絕該居民領(lǐng)取垃圾袋。垃圾袋取用流程圖如圖5 所示。

圖5 垃圾袋取用流程

4.2 智能垃圾箱工作流程

通過上述對智能垃圾分類系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，垃圾分類管理系統(tǒng)已初步完成，智能垃圾箱的主要工作流程如下：當(dāng)居民前往智能垃圾箱投遞已分類好的垃圾時(shí)，RFID 閱讀器識(shí)別并讀取垃圾袋上的標(biāo)簽，判斷垃圾袋內(nèi)的垃圾是否為可回收垃圾并打開相應(yīng)的垃圾桶蓋，供住戶投遞。投遞完成后，可回收垃圾桶會(huì)自動(dòng)稱重垃圾的重量，其他垃圾桶則關(guān)閉垃圾桶蓋，然后對投放的垃圾進(jìn)行溫度測量和滿溢狀況檢測。檢測完成后，對于滿載垃圾桶，系統(tǒng)會(huì)通過無線模塊通知維護(hù)人員前來清理。智能垃圾箱工作流程圖如圖6 所示。

圖6 垃圾箱工作流程

5 結(jié)論

本文通過合理地運(yùn)用RFID 射頻識(shí)別技術(shù)及ZigBee 無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效率、簡易化、智能化的垃圾分類管理流程。用戶通過掃描身份二維碼驗(yàn)證身份信息，射頻識(shí)別垃圾袋標(biāo)簽完成垃圾分類投放，智能稱重實(shí)現(xiàn)可回收垃圾的再利用，溫度測量保證垃圾箱內(nèi)溫度平衡，超聲波測量桶內(nèi)垃圾高度判斷是否滿載，無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)垃圾分類云端化、智能化、可控化，大大提高了垃圾管理水平和環(huán)衛(wèi)工作者的工作效率，充分調(diào)動(dòng)了人們對垃圾分類的積極性。