基于物聯網技術應用的智能垃圾分類處理系統

胡凱浩 吳國平 浙江郵電職業技術學院

引言：隨著文明社會的發展，人們對環境的要求逐步提高。縱觀整個世界，近些年來，各國將巨大的金融資金投入到環境治理與保護部門。人們的環境保護意識逐步提高。中國一直主導創建環境友好型社會，但我國垃圾處理方式單一，導致垃圾處理設施建設和管理長期處于滯后的狀態中。

因此，我國垃圾處理問題日趨嚴重，迫在眉睫。特別是街頭已滿卻未處理的垃圾箱數量大幅度攀升，使得整個社會的環境質量逐漸惡化。垃圾箱內的垃圾長時間不處理，會產生化學變化而發出臭味。從而影響環境問題。垃圾處理方式的單一性，足以導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，提高對垃圾箱的監測與監管能力。對現有的智能垃圾分類處理系統的優化存在一定的必要性。結合現有的物聯網技術，將各系統模塊進行連接，將完成對垃圾進行激勵智能管理、實時監測和環保人員智能調度等功能。

1.基于物聯網技術的智能垃圾分類處理系統的介紹

智能垃圾分類處理系統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、自動粉碎與降解模塊、RFID系統模塊、單片機傳感模塊等七大模塊組成。整個系統運用的主要原理是將無線傳感系統、智能監測系統、自動粉碎與降解系統、自動分類分層系統相互結合，從而使垃圾桶清潔更加智能與快捷。本系統所采用的物聯網技術層次架構如圖 2所示。

圖 2 智能垃圾分類處理系統物聯網技術層次架構

當人們手中的垃圾將要投入智能垃圾桶的時候，智能垃圾分類處理系統中的紅外線射頻模塊不斷的發出監測信號，識別距離垃圾桶15cm-20cm范圍內的物體。若人們手的距離垃圾箱開口的距離小于20cm時，系統內的紅外線射頻模塊結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的開關節點，開關節點接收到信息，自動彈開垃圾桶開口。開口開啟保持時間設置在5秒后自動關閉。待垃圾桶開口超過5秒，終端系統傳輸信息返回到開關節點，垃圾桶開口自動關閉。

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計圖

垃圾投入垃圾箱內的第一層。RFID系統模塊開始工作，自動識別第一層垃圾箱內各類垃圾上面附著的條碼信息。根據條碼信息以及系統軟件編程內的歸類方法把信息傳輸給自動分類分層系統模塊。自動分類分層系統模塊在接收到信息后，將垃圾進行分類的處理。主要采用垃圾箱內部層與層之間投入的分類方法。垃圾箱內的第一層RFID識別系統有別于下面四層中的RFID識別系統。第一層RFID識別系統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系統模塊和自動分類分層系統模塊。當垃圾上標簽識別信息后的數據符合當層的信息，便會把此垃圾停留在本層垃圾箱內。若不符合則投入下一層垃圾箱。以此類推，進行垃圾分類。智能垃圾桶內部分層設計如圖 4所示。

圖 4 智能垃圾桶內部設計圖

垃圾箱內每一層都裝有壓力傳感器。當某一層中的垃圾數超過一定范圍時候。壓力傳感器監測到重力信息，把數據通過ZigBee短距離傳輸給自動粉碎和降解模塊。自動粉碎和降解模塊根據軟件程序設計功能進行必要的粉碎或者降解技術。在完成整個系統的數據傳輸和處理之后。再將信息傳輸給單片機模塊系統。單片機模塊系統接收并整合各層垃圾數量信息后，傳輸給系統中指定的計算機或者軟件信息（例如APP、微信等）。

智能垃圾處理系統中RFID系統還有自動識別技術。此系統會對打掃垃圾桶的人員的磁卡進行一個數據的讀寫。當保潔公司接收到單片機傳輸的信息之后，派專門的保潔員前往垃圾桶進行打掃時候，保潔員應該在垃圾箱的右側刷入磁卡。這時RFID系統自動識別保潔員卡中的信息，并且記錄打掃時間，打掃次數。有利于提高保潔公司對保潔員的考核工作。

2.智能垃圾桶研究現狀分析

閱讀有關基于物聯網技術設計智能垃圾分類系統的研究等報告。現有的智能垃圾桶研究中存在的問題如下所述：

有智能，未解決本質性的垃圾處理問題。雖然結合了現有的RFID系統和物聯網技術來解決垃圾自動分類的問題，但并未考慮到垃圾溢滿時候的清理效率及時性問題。這是現有智能垃圾分類系統中存在的最主要問題之一。

基于物聯網技術，卻未全面利用物聯網技術。社會上大部分現有的智能垃圾分類處理系統主要利用物聯網技術中的WSN節點連接、RFID系統、傳感器等主要技術來設計此分類系統。表面上看起來已經將垃圾分類，也確實融入了ZigBee短距離傳輸功能，并發送數據給指定的計算機，卻并沒有做到完全的智能。可以在原有的系統中融入一個自動粉碎與可降解模塊，充分利用物聯網技術，將自動粉碎與可降解模塊和傳輸技術進行連接，切實提升保潔人員處理垃圾箱的效率。

內部模塊系統設計粗糙，未考慮實質性的問題。在系統內部，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區分。若區分不合理，將會導致數據傳輸錯誤，從而不能解決實質性問題。

3.浙江省紹興市垃圾分類現狀

人們的生活質量隨著經濟的發展逐漸趨向于高標準的狀態。環境是提升生活質量的主要因素之一，而垃圾分類與處理問題一直都是影響環境保護的難題之一。

居民垃圾分類意識薄弱。據調查，紹興市的廣大居民主動參與垃圾分類的積極性不高，意識薄弱。紹興市生活節奏快，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。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。這不僅會對環境造成再次的污染，還會嚴重影響土地資源。各大環保公司等投入了大量的人力勞動，但得不到預期的理想效果。在垃圾分類與處理方面遠不及相關專業企業做得好。因此，智能垃圾分類處理系統的研究存在迫切性。

據相關調查顯示，紹興市的垃圾分類處理的宣傳大于實際操作的意義。雖有逐步推進對于智能垃圾分類處理系統的建設與完善，但仍處于一種常態化的現狀。居民雖有垃圾分類處理的意識，但在實現方面任不盡人意。所以，使用現有物聯網技術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的科學性

信息的收集和采用具有科學性。首先我們分析國內有關于智能垃圾分類處理系統的工作原理，發現現有的智能垃圾處理分類系統的不足點。但隨著科學技術的日益發展，將垃圾處理與科學技術的結合發展必然是如今環境保護中十分重要的趨勢之一。另一方面來說，如今的RFID技術和短距離傳輸的功能在人們的生活中日趨體現。微信、APP等相關軟件的普及正順應著人們生活方式的潮流。

同時，研究了現在中國境內相對發達的省會城市都對智能垃圾分類的處理方式表示感興趣。在短期內對各大保潔公司、大型公共場所進行問卷調查，搜集數據進行必要的分析，也得出如今智能垃圾的分類處理方式或許是大多數人比較容易接受的垃圾處理方式之一。

實質性技術特點。與之前的智能垃圾分類處理系統相比，此研究項目具有以下三點實質性技術特點：①系統分模塊處理；②借助最新的物聯網技術進行系統運行；③切實提高垃圾桶清潔效率。整個研究項目中最為新穎的部分則為運用最新的物聯網應用技術進行系統的創新。將物聯網技術中感知層、網絡層和應用層融合，使整個系統功能性更加完善。傳輸更加快捷安全。

5.智能垃圾分類處理系統的先進性

一個國家的環境保護問題必定要從提高對科學技術的合理運用做起。在提高自身思想素質的前提下，切實結合科學技術和問題的關鍵所在點。并且，如今的環境問題也成為了社會乃至全球的焦點問題之一。因此，此研究基于環境保護問題，結合科學技術，優化現有的系統，緩解環境污染問題，新穎程度高，實用性強，選題走在前沿。

研究顯著進步。關于智能垃圾分類處理系統的問題大部分還是以箱內垃圾數量堆積多、垃圾箱無法及時清理、垃圾箱內的垃圾無法進行預期的合理分類為主。因此，本項目加入RFID模塊，并且在垃圾存放次序從上到下按照指定垃圾存放。每一層垃圾箱內的內部都仍然裝有RFID傳感模塊，對再次放入對應層的垃圾進行掃描，確保垃圾放入無錯誤。當紙質分類垃圾層的垃圾數量達到額定值時候，壓力傳感器模塊會發送信息給自動粉碎模塊要求其進行粉碎工作（類似于碎紙機工作原理）。當層內垃圾達到額定值由壓力傳感器發送信息給壓縮機，進行一個塑料的壓縮。還采用單片機技術，以確保信息的傳輸更加快捷、準確、及時、方便等功能。為切實提高垃圾桶的清潔率做出最大的貢獻。

6.采用移動“互聯網+”和物聯網模式的優勢

就消費者（相關政府、環保保潔公司）而言，消費者可以在微信平臺訂閱商家（智能垃圾桶開發商）服務號，及時地通過現有的互聯網獲得定點監測垃圾箱的狀態功能。

就商家（智能垃圾桶開發商）而言，運用現有的物聯網技術平臺，將社會中的問題給予解決，為社會環境文明貢獻綿薄之力。

就廣大居民群眾而言，智能垃圾箱的設計與平臺建設的成功運用，將會逐漸改善環境衛生，使環境污染問題逐漸趨于常態化，同時也能不斷提醒廣大群眾，應不斷提升自我環保意識，增強自身行為控制，使得我國生態環境逐漸好轉。

7.結語

依托物聯網技術對現有智能垃圾桶的完善是一個創新應用，是推進智慧城市的重要手段。其中涉及到無線傳感網絡、RFID技術、傳感器應用技術等相關物聯網的關鍵技術，這些技術都是推進我國智能化建設的必要手段。而基于物聯網技術的智能垃圾分類處理系統的研究必將對發展社會經濟、社會民生具有很強的社會價值屬性。