基于AIOT技术的垃圾分类系统方案设计

颜谦和 颜珍平

（湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001）

1 引言

随着社会生活水平和工业水平的不断提高，产生的垃圾种类随之增多，垃圾分类处理的复杂度和难度不断增大，世界各国也采取了相应措施进行解决，保障全人类的生活环境和质量[1]。据统计，全球每年产生近4.9亿吨垃圾，其中1.5亿吨在中国城市。垃圾是未充分利用的资源，加强垃圾分类处理，进行垃圾污染治理，减少废物的产生量，是加快推进城市现代化的重要内容，实现经济社会可持续发展的重要保障[2]。2019年《上海市生活垃圾管理条例》实行，标志着我国真正将“垃圾分类”纳入法治框架[3]。2020年9月株洲市正式出台了《株洲市城市生活垃圾分类工作实施方案》，标志着株洲生活垃圾分类进入实施阶段。

本文旨在探讨应用物联网、大数据等技术，建立一套高智能的综合性垃圾分类管理系统方案，提高城市垃圾分类处理效率，更好地满足居民需求，加快城市生态环境建设，建设美丽生态株洲。

2 系统方案设计

我国自国务院发出《生活垃圾分类制度实施方案》(国办发〔2017〕26号)以来，各种智能垃圾分类处理装置应运而生，通过媒体和学校进行了大量的垃圾分类宣传和教育活动，在一定程度上加强了对垃圾分类处理的认识[4]。但是垃圾分类处理在很多领域还只停留在形式上，没有得到根本性的解决，主要表现在虽然各区域在垃圾收集点分设了可回收垃圾、不可回收垃圾和有害垃圾桶，但是在实际分类中，市民没有按要求进行分类投放，且在垃圾运输过程，垃圾运输车将各类垃圾又倒在同一个车箱内运输。

据调研分析，其问题主要表现在以下几个方面：第一，政策宣传引导力度不够，没有达到时刻提醒的效果，市民没有开展系统学习并将政策落实；第二，政府监督不够，没有以社会公德标准要求来提高人民的社会素养，共同遵守“垃圾处理，人人有责”条例；第三，垃圾分类处理设备智能化不够，品种杂乱，给市民统一认识和使用上带来障碍，国家没有统一设置垃圾处理设备[5]。

根据前期调研分析，要实现垃圾分类工作落到实处，要自上而下采取定时定点定员分类，专管员值守，集宣传、监督和指导于一体，提高垃圾分类推进力度；在公共机构、学校、企业等组织推动分类习惯养成，实现垃圾分类处理全覆盖；制定基层数量化考评标准、重建标准化物业垃圾服务合同、前端奖罚分明，促进基层、物业、居民有效参与垃圾分类工作[6]。

对此，本文研究设计了一套基于人工智慧物联网技术的垃圾分类综合解决系统方案，实现对垃圾的自主识别、智能分类的物联网云垃圾处理服务平台，本平台构架主要包括手机APP应用和下位机两大功能模块，总体框架如图1所示。

图1 “物联网云垃圾处理服务平台”系统方案框架图

本系统方案主要由4部分组成：感知执行设备、网关设备、云平台设备和移动终端设备组成。感知设备主要集成在垃圾分类投放处理装置中，采用有线接口与嵌入式ARM网关相连，ARM网关通过NBIOT无线通信技术连接到互联网中，与物联网云垃圾处理服务平台进行数据通信，可将下位机中传感数据（如垃圾重量、垃圾类型、垃圾存储量等）上传到云平台，手机端垃圾处理APP获取云平台的数据，并可向云平台发送指令来控制下位机中的可执行模块（如报警模块、垃圾推出模块等），其中网关设备和云平台设备主要起到数据转发和存储的作用。

3 系统功能模块

系统中手机APP应用功能模块主要为用户对垃圾处理提供信息支持、监督评价功能，下位机功能主要为用户提供与垃圾分类投放处理装置的交互操作，并将执行结果上传到云平台。

3.1 手机APP应用模块

手机APP应用模块设计两种用户模式，一种是垃圾投放人员模式，另一种是垃圾处理工作人员模式。其中垃圾投放人员拥有5个功能：垃圾处理知识学习、垃圾投放点搜索、扫码登录垃圾处理终端、垃圾处理记录查询、垃圾处理违规投诉；垃圾处理工作人员拥有3种功能模块：垃圾处理信息查询、垃圾处理记录提交、垃圾处理信息反馈。

3.1.1 垃圾处理知识学习

垃圾处理知识学习模块对垃圾分类的国家文件、有害垃圾对人类的影响、回收垃圾的利用价值、垃圾处理的方法、垃圾分类处理系统的操作说明等方面进行宣传，做到宣传知识全面，宣传范围无死角，将宣传内容资源碎片化、微课化资源存储在云服务器上。采用Android技术开发手机移动端APP软件，与云服务平台进行通信，实现云服务器上资源查看和访问，其功能主要包括垃圾分类处理系统操作流程、垃圾处理案例库、垃圾处理要闻、垃圾处理知识答题等，系统根据个人的学习情况，生成个人积分报表，为表扬和激励市民提供可靠的数据依据。

3.1.2 垃圾投放点搜索

本模块采用北斗导航技术实现垃圾投放点的搜索功能。首先为每个投放处理点登记地址，在APP中开发北斗导航模块，通过导航搜索附近的垃圾分类投放点，方便用户即时找到最近的垃圾投点。

3.1.3 扫码登录垃圾处理终端

在进行垃圾投放时，垃圾分类投放处理终端设备上有一个动态二维码，市民通过手机微信扫描功能二维码登录垃圾处理云平台，云平台通过NBIOT通信模块向垃圾处理终端设备发送指令，启动垃圾终端设备进行垃圾处理工作，终端设备嵌入式系统驱动语音模块引导市民按照系统处理流程进行处理，市民处理完成后，终端设备通过NBIOT通信模块上传垃圾投放数据到云平台，并自动关闭本次垃圾处理流程，云平台对上传的数据进行分析，将垃圾处理结果和积分登记在市民个人账户上，以便市民对处理工作进行评价。垃圾投放处理流程图如图2所示。

图2 垃圾投放处理流程图

3.1.4 垃圾处理记录查询

市民可能通过记录查询模块查看自己垃圾处理的系统评价，包括个人账户上的积分等。通过查看记录明细的积分情况，让市民更加熟悉垃圾分类投放的正确操作，相关信息可为评选优秀市民、五好家庭、三好学生等活动提供支撑数据；另外，市民可根据自己的积分在垃圾处理装置中免费兑换到相应奖品（如分类垃圾袋等），提高市民垃圾处理的积极性。

3.1.5 垃圾处理违规投诉

在现有垃圾处理过程中，发现有垃圾分类工作人员将分类好的垃圾统一放在同一个垃圾集装箱内，这种行为将市民垃圾分类处理的成果付之东流，打消了市民垃圾处理的积极性。因此，市民可利用手机APP端的垃圾处理违规投诉功能，进行随时随地投诉；当市民在投放垃圾时发现存储箱已满也可以通过此功能模块进行投诉。通过此模块的设计，可实现对垃圾分类工作的有效监督与管理。

3.1.6 垃圾处理信息查询

垃圾分类工作人员通过垃圾处理信息查询模块可即时查询自己职责范围内垃圾投放点中各垃圾存储箱的饱和状况，系统可根据垃圾的投放点位置，规划出垃圾分类收集的路线，提高垃圾分类收集的效率。

3.1.7 垃圾处理记录提交

垃圾分类工作人员到达垃圾投放点后，用手机扫描垃圾分类投放装置上的动态二维码，进入系统垃圾收集流程，启动语音设备进行引导处理，处理完成后，退出系统垃圾处理流程，并向云平台提交垃圾处理记录，此模块的设计方便管理部门对垃圾分类工作人员进行评价，并为工作人员的酬劳提供数据支撑。

3.1.8 垃圾处理信息反馈

垃圾分类工作人员通过信息反馈模块查询自己管理区域的垃圾分类处理记录详情，系统根据垃圾投放点垃圾重量和垃圾收集站的距离，通过大数据精准测算工作人员每次垃圾分类及处理的酬劳；工作人员通过查看垃圾处理中违规记录，及时进行纠正。

3.2 下位机模块

下位机主要包括7个功能模块，由嵌入式网关将数据上传到物联网云并通过云端进行控制，包括语音模块、垃圾分类投放、垃圾称重、垃圾扫描、垃圾存储监测、垃圾投放报警和垃圾存储箱推出模块。通过手机APP与下位机功能相结合，上下数据对接传输，对垃圾分类工作监督提供数据支持，最终实现垃圾科学投放、有效处理。

3.2.1 语音模块

语音提示模块主要是针对垃圾分类投放设备流程进行语音播报，对垃圾投放设备不熟悉人员进行操作提示，避免垃圾分类投放的错误操作，提高智能装置的亲民性和垃圾分类投放的正确率。

3.2.2 垃圾分类投放

垃圾可分为可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾等几类，市民通过垃圾处理学习模块中的知识进行垃圾分类装袋，选择分类好的垃圾按钮，再将垃圾投入垃圾箱入口，垃圾投放处理装置将垃圾投入相对应的存储箱中。

3.2.3 垃圾称重

在垃圾存储箱上安装了重量传感器，将投放前和投放后的数据进行采集，得出本次垃圾的重量，将采集结果上传到云平台，为垃圾投放市民进行积分提供数据支撑。

3.2.4 垃圾扫描

在有害垃圾以外的其余垃圾箱入口处安装摄像头，对垃圾进行扫描，采用AIOT技术对图片进行边缘计算分析，如果发现其中夹杂有害垃圾，将该垃圾投入到有害垃圾箱，向云平台提交扫描结果，并通过手机中垃圾处理信息查询模块提醒市民。

3.2.5 垃圾存储箱监测和报警模块

在垃圾存储箱上装有红外扫描器，动态扫描垃圾箱的垃圾存储量，并即时将结果上传到云平台，根据云平台中设置的阈值分析，及时向垃圾处理人员发出垃圾收集信号；如果垃圾未及时被垃圾处理人员收走，垃圾箱会发出报警信息，提醒市民另找垃圾投放点，并将结果上传云平台。

3.2.6 垃圾存储箱推出模块

当垃圾处理人员到达投放点收集垃圾时，根据垃圾收集流程将存储箱自动推出，减少垃圾处理的工作量，提高垃圾收集的效率。

4 结语

垃圾分类是城市治理体系的重要组成部分，关系到民生、生态环境和可持续发展，考验着基层治理的能力和智慧。本文利用人工智能物联网技术设计的垃圾分类系统方案，通过移动端APP实现基于无线通信技术的硬件模块间的数据交互，各个模块之间紧密联系相互配合，能有效地解决现阶段垃圾分类难题，减轻工作人员的劳动强度，提高环境卫生水平，给城市生活带来更人性化的服务。