基于RFID 和ZigBee 的智能垃圾分類系統的設計

陳欣，王欽華，李慧，趙娜，郭慧敏

（南京工業大學 浦江學院，江蘇南京，211200）

0 引言

目前，我國垃圾分類技術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。傳統的垃圾分類模式采用每天固定時間、固定車輛到各個地點進行垃圾回收的方式，對于每個垃圾桶產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薄弱，加之日常工作繁忙，難以做到對垃圾進行細致分類，導致垃圾分類成為擺設[2]。此外，很多居民對可回收和不可回收的概念尚不明確，無法對垃圾進行有針對性的、有效的、初步的分類[3]，增加了環衛工作者的工作難度。因此，為提高環衛工作者的工作效率，增強人們的垃圾分類意識，設計出一款多功能的智能垃圾分類系統有其重要意義。

1 系統功能設計

智能垃圾分類系統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：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、預約回收模塊和違規查詢模塊。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證自己的身份，從而領取帶有RFID 標簽的垃圾袋。

（2）積分兌換模塊：用戶可以在小程序中查詢積分情況，累計的積分不僅可以用來免費領取帶有RFID 標簽的垃圾袋，還可以用來兌換各類獎品。

（3）預約回收模塊：該功能模塊建立在與回收站的聯系上，當居民有大件垃圾搬運艱難、丟棄困難等問題時，可點擊“一鍵預約”，并設定上門回收的時間，從而讓相關人員上門回收。上門回收完成后，居民既可以選擇回收變現，也可以選擇通過積分的形式獲取獎勵。

（4）違規查詢模塊：在該模塊中，用戶可查詢到自己的一些歷史違規行為。比如，當居民投放的垃圾因溫度異常使垃圾箱發出警報時，系統會記錄該居民的錯誤行為并自動扣除相應的積分。

本系統的主要功能模塊圖如圖1 所示。

圖1 系統功能模塊圖

2 系統硬件設計

2.1 掃描模塊設計

智能垃圾箱內嵌的掃描模塊利用LV4200 二維碼掃描器，對含有居民身份信息的二維碼進行掃描識別從而驗證居民身份。在數據采集和二維碼自動識別技術的基礎上，內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 掃描模塊卓越的識讀性能，實現對居民身份的識別和居民投放垃圾的記錄，同時借助積分管理系統對用戶的相關行為改變對應的積分。

2.2 RFID 模塊設計

該模塊通過RFID 電子標簽與天線之間進行射頻信號的空間耦合，并在耦合通道內根據時序關系完成數據的交換和能量的傳遞，最終實現對標簽識別碼和內存數據的讀寫操作。RFID 的工作原理圖如圖2 所示。

圖2 RFID 的工作原理

利用射頻識別技術制作的帶有RFID 標簽的垃圾袋，與居民的個人身份信息進行綁定，居民通過掃描身份碼來領取一定數量的垃圾袋。當居民投放垃圾時，垃圾袋上的RFID標簽進入到閱讀器有效識別的范圍內，RFID 閱讀器便會自動識別垃圾袋上的標簽并打開相應的垃圾箱蓋，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被記錄并得到相應的積分，獲得的積分會累計到居民的個人積分賬戶里。

2.3 稱重模塊設計

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、高響應度、強抗干擾性等優點。同時，其芯片電子秤的成本較低，提高了性能和可靠性。

當垃圾被投放到不同垃圾桶里時，通過重力傳感器收集垃圾重量情況。達到一定重量時，系統通過無線數據傳輸，將超重信息傳給控制中心，該垃圾桶將即刻報警并停止運作，直至維護人員處理完方可正常運作。同時，重力傳感器還可以對居民每次投放的可回收垃圾進行稱重，并計算垃圾的回收量。系統對投放可回收垃圾的居民會發放相應積分，發放的積分與垃圾的回收量成正比。

2.4 溫度測量模塊設計

借助溫度傳感器對環境很敏感的特性，該模塊采用PTC熱敏電阻[5]，對垃圾桶內的環境進行檢測。該熱敏電阻同時連接一個報警裝置，起到“開關”的作用。當溫度升高時，電阻增加并限制電流增加，從而啟動報警裝置。系統接收到報警提醒后將會立即通知維護人員進行處理，避免一切由煙頭、明火等原因引起的火災。

2.5 滿溢檢測模塊設計

該模塊應用超聲波傳感技術對垃圾桶內垃圾的高度進行檢測。通過超聲波傳輸檢測到物體返回所需要的時間值得到被測物體與檢測器之間的實際距離，從而判斷垃圾箱的滿溢程度。當垃圾裝滿到一定程度并輸出滿溢信號時，信號將發送到遠程接收平臺，向維護人員發出清理垃圾的指令。

超聲波測距原理：由超聲波的發射端發射一束超聲波并開始計時，發射出去的超聲波在介質中傳播，當遇到障礙物時就會反射回來，超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時，計時停止。測距公式：

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

2.6 ZigBee 模塊設計

主要采用ZigBee 技術實現無線數據傳輸，由協調器、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據，確保這些數據順利傳輸到協調器，再由協調器借助接口呈現到PC 端[6]。

基于ZigBee 無線通信技術的智能垃圾分類系統包括：定位信號接收系統，用于接收顯示所屬區域內各個垃圾桶內部情況信息；網狀網絡拓撲結構，用于連接定位信號接收系統，并將小區內的智能垃圾箱都覆蓋在同一個網絡下，從而實現實時采集各個垃圾桶內部情況信息，最后將數據上傳至服務器對其監管。

3 系統部分軟件設計

用戶小程序主要由用戶個人中心、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號進行注冊，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 個人中心模塊設計

該模塊包含用戶身份碼、積分查詢、違規記錄查詢三個子模塊。首先，“用戶身份碼”即含有居民身份信息的識別碼，不僅可以用于確認居民是否為本小區的住戶，還可以用于掃碼來領取帶有RFID 標簽的垃圾袋。其次，用戶可以在“積分查詢”子模塊中查詢個人積分明細，包括積分的增加和減少原因、時間等信息，從而及時了解自己的積分變動情況，有助于用戶更好地管理自己的積分。最后，“違規記錄查詢”子模塊內記錄了用戶個人的相關違規歷史。用戶可通過該模塊知悉個人的違規情況，同時系統也會及時通知用戶有關積分變更情況和垃圾投放違規情況。個人中心界面如圖4 所示。

圖4 個人中心界面

3.2 積分兌換模塊設計

積分兌換模塊是智能垃圾分類系統中的核心功能模塊之一。該模塊主要由積分獲取規則、積分兌換商品、積分兌換活動三部分組成。

積分獲取規則是系統為了激勵用戶參與垃圾分類而制定的一系列詳細規則。用戶可以通過完成系統指定的任務或參與活動獲取積分，例如正確投放垃圾、參與社區活動、發表用戶意見等。獲取的積分會實時增加到個人賬戶中，方便用戶隨時查看和兌換商品。

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中的商品或服務，如垃圾袋、植物、上門回收服務等。系統根據商品的價值和用戶的積分情況，自動計算出用戶需要支付的額外費用。兌換完成后，系統會自動扣除用戶賬戶中相應的積分，并發放商品或提供服務給用戶。

積分兌換活動形式多樣，包括限時兌換、積分抽獎、多倍積分等。通過這些活動，智能垃圾分類系統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 用戶反饋模塊設計

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制，使得智能垃圾分類系統更加便捷地服務用戶，小程序中專門設計了用戶意見反饋模塊。用戶可以在該模塊內自由發表對垃圾分類的不同見解，實現相互溝通交流，也可以通過該模塊向系統管理人員提出建議與需求。

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

4 系統流程圖設計

4.1 垃圾袋取用流程

當居民通過二維碼掃描器掃描身份碼時，系統會判別該居民是否為本小區的住戶，若該居民為本小區住戶，則同意該居民領取帶有RFID 標簽的垃圾袋。領取垃圾袋的數量可根據自己的積分量決定，每領取一定垃圾袋，則消耗一定量的積分，如積分已全部消耗完，則無法領取垃圾袋。若居民不是本小區住戶，垃圾取袋機將拒絕該居民領取垃圾袋。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的硬件設計，垃圾分類管理系統已初步完成，智能垃圾箱的主要工作流程如下：當居民前往智能垃圾箱投遞已分類好的垃圾時，RFID 閱讀器識別并讀取垃圾袋上的標簽，判斷垃圾袋內的垃圾是否為可回收垃圾并打開相應的垃圾桶蓋，供住戶投遞。投遞完成后，可回收垃圾桶會自動稱重垃圾的重量，其他垃圾桶則關閉垃圾桶蓋，然后對投放的垃圾進行溫度測量和滿溢狀況檢測。檢測完成后，對于滿載垃圾桶，系統會通過無線模塊通知維護人員前來清理。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 結論

本文通過合理地運用RFID 射頻識別技術及ZigBee 無線通信技術實現高效率、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證身份信息，射頻識別垃圾袋標簽完成垃圾分類投放，智能稱重實現可回收垃圾的再利用，溫度測量保證垃圾箱內溫度平衡，超聲波測量桶內垃圾高度判斷是否滿載，無線數據傳輸實現垃圾分類云端化、智能化、可控化，大大提高了垃圾管理水平和環衛工作者的工作效率，充分調動了人們對垃圾分類的積極性。