面向垃圾分類應用與推廣決策的新型社區垃圾桶設計

王 宇 陸靜怡 朱莞怡 胡俊祥

（1.南京財經大學信息工程學院，江蘇 南京 210023；2.南京財經大學會計學院，江蘇 南京 210023）

1 背景現狀

就“垃圾分類”關注度而言，我國361個城市對生活垃圾分類網絡關注度的區域絕對差異大，沿海地區的關注度普遍高于內陸地區。就執行度而言，部分城市有明確的管理條例，如北京、上海等，開始時間早，執行度較高，監管制度和基礎設施較完備，但仍有設施損壞、監管沖突等問題；起步晚的城市還進程緩慢；其他未頒布條例的地區則是極少數居民自主開展分類活動，但因為基礎設施缺失，分類行動難以順利進行。

目前國內已經有公司研發出了智能垃圾桶的成品。市面上的智能垃圾桶大多具備刷卡，紅外感應，語音提示，滿溢監測，人臉識別等功能。在這基礎上，多數公司追求垃圾桶的智能特性，如自動分類，這類技術的使用會讓用戶在思想上對垃圾分類產生懈怠，與我國希望提高人民“垃圾分類”意識的初衷違背。并且這類垃圾桶價格昂貴，無法在普通社區推廣。因此，本文更傾向于設計一款新型社區垃圾桶，包含身份識別、分類引導、自動預警以及信息采集分析等功能。整體設計更人性化，它既能保證居民在投放垃圾過程中的參與度，又能將大數據分析后的信息發送給有關部門，提供決策依據。

2 總體路線

總體路線（如圖1）：核心是智能垃圾桶的設計，通過線上查閱資料收集所在地區經濟發展水平、人口密度、社會風俗等信息，線下調研收集居民對社區垃圾分類的意見和需求，整合所獲取的信息完成垃圾桶的外觀、功能設計和小型垃圾桶實物制作。社區引入這款新型垃圾桶后，居民在使用時通過刷門禁卡進行身份認證，設備鎖打開后即可進行投放。借助物聯網技術記錄投放時間、垃圾類型、投放正確與否這些重要信息，后臺進行大數據分析并以可視化界面呈現給社區和政府。社區可以根據反饋結果對居民采取獎懲措施；政府可以參考數據進行更科學的決策。

圖1 總體路線

3 垃圾桶設計與功能

3.1 外觀設計與功能

垃圾桶外觀設計如圖2（a）所示。智能垃圾桶由不同部件構成，包括太陽能雨棚、觸摸顯示屏、廣告欄（宣傳欄）、洗手池、各類垃圾桶等。太陽能雨棚在擋雨的前提下，為整個系統提供一定的電力，契合環保主題。觸摸顯示屏是人機交互的重要模塊，鑒于一般社區人群年齡跨度大，界面設計簡潔，操作簡便，簡化垃圾分類過程。屏幕前的平臺安裝了刷卡裝置，用于啟動系統和辨認身份信息。右側設置的洗手池可以用來洗手和處理未喝完的奶茶和瓶裝水。在保證互不干擾的情況下，洗手池與有害垃圾區域結合，也可根據實際使用情況將洗手池改為任意需要的功能區。廣告欄（宣傳欄）可以按需選擇內容。

有害垃圾桶分為四個小窗口，上面的窗口設置為小容量的正方體盒子，用于廢電池等小物件的回收；下面的窗口設置為大容量的長方體盒子，用于回收類似燈管的長形有害垃圾，合理利用空間，同時保證不同垃圾互不影響。窗口的安排可以根據所在社區產生的有害垃圾進行調整。由于社區產出的可回收垃圾較多且體積較大，可回收垃圾的外桶在設計上做了加寬設計，可以減緩垃圾桶滿溢速度，減少垃圾運輸車的單獨清理次數。可回收垃圾一般不會腐爛，不會有太多異味，對觸摸屏和洗手池區域的影響很小。作為社區垃圾桶，其他垃圾的垃圾桶承擔更大的職責。大部分垃圾是普通居民無法進行精細區分的，過度細分會增加分類難度，使居民對垃圾分類感到疲勞。因此將可回收垃圾、廚余垃圾和有害垃圾以外的垃圾都歸入其他垃圾，提高垃圾分類的容錯率。廚余垃圾是日常社區垃圾的主要部分，并且容易產生異味，污漬極易沾染外桶，因此將其安置于右側，減輕對其他部分的污染，尤其是觸摸屏和洗手池這些需要與人接觸的設備，提高居民使用的舒適度。外桶底座安裝重量檢測塊，收集信息到的不僅可以用于數據分析，也可作為預警信息，減輕內桶的損耗。放置干燥劑和樟腦丸的窗口安放在靠近廚余垃圾的一側，有針對性地去潮去味。外桶的門上安裝“J”型鎖扣，可以容納內桶踏板的橫桿通過，未解鎖時保持圖上的狀態，居民無法踩下踏板；解鎖后，鎖扣會順時針旋轉90°，允許踩下踏板。

內桶設計如圖2（b）。采用常見的腳踏式開蓋垃圾桶，運用杠桿原理，可以輕松打開垃圾桶蓋，雙手不用接觸垃圾桶，更加干凈衛生。設計簡單，制作簡便，成本較低。內桶是一體化結構，工作人員安裝時只需將其放入外桶，固定好鎖扣。內外桶分離的設計，使得它們易清理。桶蓋安裝超聲波探測器，設置每次投遞垃圾后檢測一次。可回收垃圾的滿溢預警基于余量探測器探測到的結果，防止垃圾桶蓋無法合上的情況出現，這會影響鎖扣裝置的運行，也會影響居民投擲垃圾的流程，從而導致信息的缺失。其他垃圾可將余量探測的結果當作預警信息，重量與余量檢測中的任意一項達到警戒線，都將通知相關垃圾運輸車前往清理。廚余垃圾容易腐爛，達到規定時間就要清理一次，但如遇到極端情況，即任意一個檢測指標預警，需要提前處理。

圖2 垃圾桶外觀及內桶設計

3.2 硬件模塊

屏幕選用10.1英寸迪文科技智能屏寬視角電容式觸摸屏，分辨率為1024*600。屏幕上會有按鍵對居民進行投擲引導，支持在線搜索垃圾種類，顯示屏如圖3所示。RFID讀卡器選用的是K-0508USB驅動讀卡器，ABS工業防火阻燃材料。用于在投擲垃圾前刷卡進行身份認證，便于后期垃圾溯源。重量傳感器選用的是YZC131微型稱重傳感器模塊和小體積HX711模塊。安裝在垃圾桶外桶底部對垃圾的重量進行檢測，以免超重造成內桶損壞。超聲波傳感器選用的是HY-SRF05超聲波模塊，可提供2CM-450CM的非接觸式距離感測功能，測距精度達到3mm，用于對于垃圾桶的余量進行檢測。系統供電模塊采用100mA多晶硅太陽能電池板和TP40561A鋰電池充電板。

圖3 顯示屏

4 信息系統設計與功能

信息采集、可視化展示與大數據分析采用感應層、網絡層、組織層、分析層與應用層五個層次組成的架構。

感應層：主要進行數據的采集。在感應層內，數據的來源是居民扔垃圾時產生的相關數據包括：垃圾數量、垃圾質量、投擲時間、用戶信息等。數據獲取主要依靠重力傳感器、超聲波傳感器等智能硬件設備，從數據源中收集不同類型、規模的大數據通過網絡層的傳送到數據收集中心。

網絡層：借助互聯網、無線網絡，實現數據在感應、組織、分析、應用四個環節的流轉。主要分為兩個階段，一是原始數據傳輸到數據存儲區；二是大數據系統傳輸到管理信息的手機、電腦等設備。

組織層：組織層的技術包括數據的預處理和存儲。預處理是指對前期獲取的海量數據進行預處理，通過清洗、構造、集成、冗余清除、關聯聚類、特征提取等環節，使數據源更加標準化、結構化。使其質量、規模、形式符合大數據分析要求，減少后期大數據分析和應用的任務量。

分析層：負責垃圾大數據分析。針對社區垃圾分類中存在的問題，運用大數據技術轉化成數學問題，構建解決問題的數學模型。這一層包括基礎數據分析和高級數據建模兩個方面。基礎數據分析是指利用SQL、Analysis等工具對數據進行多層次、多維度的分析和挖掘。高級數據建模環節則是利用遺傳算法、神經網絡等人工智能、機器學習技術實現垃圾問題的建模和仿真。

應用層：包括信息共享、輔助決策等應用功能。信息共享功能在于政府、社會、社區三大主體都能通過app、手機客戶端連接數據信息平臺，實現垃圾分類治理數據實時上傳，且支持在線共同協商。在決策輔助方面，主要是利用可視化技術，將模型輸出的結果與垃圾分類真實場景相結合，形成實際的見解和建議。

5 工作流程

對于飲料瓶、食品包裝袋等單一投擲的垃圾，居民首先需要刷門禁卡進行身份認證，然后在屏幕上點擊所要投擲垃圾的圖標和想要解鎖的垃圾桶，如果匹配成功，垃圾桶的指示燈會亮綠燈同時垃圾桶解鎖成功；如果匹配失敗，會提示正確選項，居民可再次點擊。解鎖后腳踏開蓋，丟入垃圾。扔完垃圾后旁邊的水池可以洗手消毒。對于家庭打包式的垃圾袋，居民需要事先在垃圾袋上貼上以家庭為單位的特定標簽，然后刷卡進行身份認證，再在屏幕上點擊要解鎖的垃圾桶，這時候垃圾桶會立即解鎖，不會立即給出選擇正確或是錯誤的反饋。隨后進行投擲、洗手操作。后期對垃圾進行二次分揀的時候會根據條碼對應用戶，把反饋上傳到信息處理平臺，整合處理后會發送給用戶，并在平臺上可視化呈現和支持按權限訪問。每戶家庭的賬戶上會有投擲記錄和反饋信息，以周為單位進行匯總。社區可以對投擲正確率高的家庭進行積分兌換獎勵，正確率過低的家庭需繳納一定量的垃圾處理費用和進行知識學習。

6 結語

在我國“垃圾分類”政策越來越受重視，物聯網與大數據的發展也是大勢所趨，將三者結合是時代發展的必然。本文設計的新型智能社區垃圾桶，集分類引導、滿溢檢測、數據采集、大數據分析等功能于一體，兼顧實用性與智能性。居民信息會對應投放垃圾的信息，確保垃圾有源可溯；各類檢測器采集到的數據分類轉換為折線圖或餅狀圖等可視化信息，便于顯示現狀與變化，為后續有針對性地解決問題提供依據。這款新型社區垃圾桶在提升民眾參與度的同時，也能為政府推廣“垃圾分類”提供科學的決策建議，幫助我國“垃圾分類”政策更好地推廣實施。