面向垃圾分类应用与推广决策的新型社区垃圾桶设计

王 宇 陆静怡 朱莞怡 胡俊祥

（1.南京财经大学信息工程学院，江苏 南京 210023；2.南京财经大学会计学院，江苏 南京 210023）

1 背景现状

就“垃圾分类”关注度而言，我国361个城市对生活垃圾分类网络关注度的区域绝对差异大，沿海地区的关注度普遍高于内陆地区。就执行度而言，部分城市有明确的管理条例，如北京、上海等，开始时间早，执行度较高，监管制度和基础设施较完备，但仍有设施损坏、监管冲突等问题；起步晚的城市还进程缓慢；其他未颁布条例的地区则是极少数居民自主开展分类活动，但因为基础设施缺失，分类行动难以顺利进行。

目前国内已经有公司研发出了智能垃圾桶的成品。市面上的智能垃圾桶大多具备刷卡，红外感应，语音提示，满溢监测，人脸识别等功能。在这基础上，多数公司追求垃圾桶的智能特性，如自动分类，这类技术的使用会让用户在思想上对垃圾分类产生懈怠，与我国希望提高人民“垃圾分类”意识的初衷违背。并且这类垃圾桶价格昂贵，无法在普通社区推广。因此，本文更倾向于设计一款新型社区垃圾桶，包含身份识别、分类引导、自动预警以及信息采集分析等功能。整体设计更人性化，它既能保证居民在投放垃圾过程中的参与度，又能将大数据分析后的信息发送给有关部门，提供决策依据。

2 总体路线

总体路线（如图1）：核心是智能垃圾桶的设计，通过线上查阅资料收集所在地区经济发展水平、人口密度、社会风俗等信息，线下调研收集居民对社区垃圾分类的意见和需求，整合所获取的信息完成垃圾桶的外观、功能设计和小型垃圾桶实物制作。社区引入这款新型垃圾桶后，居民在使用时通过刷门禁卡进行身份认证，设备锁打开后即可进行投放。借助物联网技术记录投放时间、垃圾类型、投放正确与否这些重要信息，后台进行大数据分析并以可视化界面呈现给社区和政府。社区可以根据反馈结果对居民采取奖惩措施；政府可以参考数据进行更科学的决策。

图1 总体路线

3 垃圾桶设计与功能

3.1 外观设计与功能

垃圾桶外观设计如图2（a）所示。智能垃圾桶由不同部件构成，包括太阳能雨棚、触摸显示屏、广告栏（宣传栏）、洗手池、各类垃圾桶等。太阳能雨棚在挡雨的前提下，为整个系统提供一定的电力，契合环保主题。触摸显示屏是人机交互的重要模块，鉴于一般社区人群年龄跨度大，界面设计简洁，操作简便，简化垃圾分类过程。屏幕前的平台安装了刷卡装置，用于启动系统和辨认身份信息。右侧设置的洗手池可以用来洗手和处理未喝完的奶茶和瓶装水。在保证互不干扰的情况下，洗手池与有害垃圾区域结合，也可根据实际使用情况将洗手池改为任意需要的功能区。广告栏（宣传栏）可以按需选择内容。

有害垃圾桶分为四个小窗口，上面的窗口设置为小容量的正方体盒子，用于废电池等小物件的回收；下面的窗口设置为大容量的长方体盒子，用于回收类似灯管的长形有害垃圾，合理利用空间，同时保证不同垃圾互不影响。窗口的安排可以根据所在社区产生的有害垃圾进行调整。由于社区产出的可回收垃圾较多且体积较大，可回收垃圾的外桶在设计上做了加宽设计，可以减缓垃圾桶满溢速度，减少垃圾运输车的单独清理次数。可回收垃圾一般不会腐烂，不会有太多异味，对触摸屏和洗手池区域的影响很小。作为社区垃圾桶，其他垃圾的垃圾桶承担更大的职责。大部分垃圾是普通居民无法进行精细区分的，过度细分会增加分类难度，使居民对垃圾分类感到疲劳。因此将可回收垃圾、厨余垃圾和有害垃圾以外的垃圾都归入其他垃圾，提高垃圾分类的容错率。厨余垃圾是日常社区垃圾的主要部分，并且容易产生异味，污渍极易沾染外桶，因此将其安置于右侧，减轻对其他部分的污染，尤其是触摸屏和洗手池这些需要与人接触的设备，提高居民使用的舒适度。外桶底座安装重量检测块，收集信息到的不仅可以用于数据分析，也可作为预警信息，减轻内桶的损耗。放置干燥剂和樟脑丸的窗口安放在靠近厨余垃圾的一侧，有针对性地去潮去味。外桶的门上安装“J”型锁扣，可以容纳内桶踏板的横杆通过，未解锁时保持图上的状态，居民无法踩下踏板；解锁后，锁扣会顺时针旋转90°，允许踩下踏板。

内桶设计如图2（b）。采用常见的脚踏式开盖垃圾桶，运用杠杆原理，可以轻松打开垃圾桶盖，双手不用接触垃圾桶，更加干净卫生。设计简单，制作简便，成本较低。内桶是一体化结构，工作人员安装时只需将其放入外桶，固定好锁扣。内外桶分离的设计，使得它们易清理。桶盖安装超声波探测器，设置每次投递垃圾后检测一次。可回收垃圾的满溢预警基于余量探测器探测到的结果，防止垃圾桶盖无法合上的情况出现，这会影响锁扣装置的运行，也会影响居民投掷垃圾的流程，从而导致信息的缺失。其他垃圾可将余量探测的结果当作预警信息，重量与余量检测中的任意一项达到警戒线，都将通知相关垃圾运输车前往清理。厨余垃圾容易腐烂，达到规定时间就要清理一次，但如遇到极端情况，即任意一个检测指标预警，需要提前处理。

图2 垃圾桶外观及内桶设计

3.2 硬件模块

屏幕选用10.1英寸迪文科技智能屏宽视角电容式触摸屏，分辨率为1024*600。屏幕上会有按键对居民进行投掷引导，支持在线搜索垃圾种类，显示屏如图3所示。RFID读卡器选用的是K-0508USB驱动读卡器，ABS工业防火阻燃材料。用于在投掷垃圾前刷卡进行身份认证，便于后期垃圾溯源。重量传感器选用的是YZC131微型称重传感器模块和小体积HX711模块。安装在垃圾桶外桶底部对垃圾的重量进行检测，以免超重造成内桶损坏。超声波传感器选用的是HY-SRF05超声波模块，可提供2CM-450CM的非接触式距离感测功能，测距精度达到3mm，用于对于垃圾桶的余量进行检测。系统供电模块采用100mA多晶硅太阳能电池板和TP40561A锂电池充电板。

图3 显示屏

4 信息系统设计与功能

信息采集、可视化展示与大数据分析采用感应层、网络层、组织层、分析层与应用层五个层次组成的架构。

感应层：主要进行数据的采集。在感应层内，数据的来源是居民扔垃圾时产生的相关数据包括：垃圾数量、垃圾质量、投掷时间、用户信息等。数据获取主要依靠重力传感器、超声波传感器等智能硬件设备，从数据源中收集不同类型、规模的大数据通过网络层的传送到数据收集中心。

网络层：借助互联网、无线网络，实现数据在感应、组织、分析、应用四个环节的流转。主要分为两个阶段，一是原始数据传输到数据存储区；二是大数据系统传输到管理信息的手机、电脑等设备。

组织层：组织层的技术包括数据的预处理和存储。预处理是指对前期获取的海量数据进行预处理，通过清洗、构造、集成、冗余清除、关联聚类、特征提取等环节，使数据源更加标准化、结构化。使其质量、规模、形式符合大数据分析要求，减少后期大数据分析和应用的任务量。

分析层：负责垃圾大数据分析。针对社区垃圾分类中存在的问题，运用大数据技术转化成数学问题，构建解决问题的数学模型。这一层包括基础数据分析和高级数据建模两个方面。基础数据分析是指利用SQL、Analysis等工具对数据进行多层次、多维度的分析和挖掘。高级数据建模环节则是利用遗传算法、神经网络等人工智能、机器学习技术实现垃圾问题的建模和仿真。

应用层：包括信息共享、辅助决策等应用功能。信息共享功能在于政府、社会、社区三大主体都能通过app、手机客户端连接数据信息平台，实现垃圾分类治理数据实时上传，且支持在线共同协商。在决策辅助方面，主要是利用可视化技术，将模型输出的结果与垃圾分类真实场景相结合，形成实际的见解和建议。

5 工作流程

对于饮料瓶、食品包装袋等单一投掷的垃圾，居民首先需要刷门禁卡进行身份认证，然后在屏幕上点击所要投掷垃圾的图标和想要解锁的垃圾桶，如果匹配成功，垃圾桶的指示灯会亮绿灯同时垃圾桶解锁成功；如果匹配失败，会提示正确选项，居民可再次点击。解锁后脚踏开盖，丢入垃圾。扔完垃圾后旁边的水池可以洗手消毒。对于家庭打包式的垃圾袋，居民需要事先在垃圾袋上贴上以家庭为单位的特定标签，然后刷卡进行身份认证，再在屏幕上点击要解锁的垃圾桶，这时候垃圾桶会立即解锁，不会立即给出选择正确或是错误的反馈。随后进行投掷、洗手操作。后期对垃圾进行二次分拣的时候会根据条码对应用户，把反馈上传到信息处理平台，整合处理后会发送给用户，并在平台上可视化呈现和支持按权限访问。每户家庭的账户上会有投掷记录和反馈信息，以周为单位进行汇总。社区可以对投掷正确率高的家庭进行积分兑换奖励，正确率过低的家庭需缴纳一定量的垃圾处理费用和进行知识学习。

6 结语

在我国“垃圾分类”政策越来越受重视，物联网与大数据的发展也是大势所趋，将三者结合是时代发展的必然。本文设计的新型智能社区垃圾桶，集分类引导、满溢检测、数据采集、大数据分析等功能于一体，兼顾实用性与智能性。居民信息会对应投放垃圾的信息，确保垃圾有源可溯；各类检测器采集到的数据分类转换为折线图或饼状图等可视化信息，便于显示现状与变化，为后续有针对性地解决问题提供依据。这款新型社区垃圾桶在提升民众参与度的同时，也能为政府推广“垃圾分类”提供科学的决策建议，帮助我国“垃圾分类”政策更好地推广实施。