基于RFID 和ZigBee 的智能垃圾分类系统的设计

陈欣，王钦华，李慧，赵娜，郭慧敏

（南京工业大学 浦江学院，江苏南京，211200）

0 引言

目前，我国垃圾分类技术还处于分类工作量大、分类效率低、分类成本高的人工分拣阶段。传统的垃圾分类模式采用每天固定时间、固定车辆到各个地点进行垃圾回收的方式，对于每个垃圾桶产生的垃圾量的信息和垃圾收集情况掌握甚少[1]。大部分居民的垃圾分类意识薄弱，加之日常工作繁忙，难以做到对垃圾进行细致分类，导致垃圾分类成为摆设[2]。此外，很多居民对可回收和不可回收的概念尚不明确，无法对垃圾进行有针对性的、有效的、初步的分类[3]，增加了环卫工作者的工作难度。因此，为提高环卫工作者的工作效率，增强人们的垃圾分类意识，设计出一款多功能的智能垃圾分类系统有其重要意义。

1 系统功能设计

智能垃圾分类系统主要由智能垃圾箱和用户小程序两部分组成。智能垃圾箱的功能模块主要有六个：扫描模块、RFID 模块、称重模块、温度测量模块、满溢检测模块、垃圾袋取用模块。用户小程序的功能模块主要包含身份码模块、积分兑换模块、预约回收模块和违规查询模块。其中，用户小程序中各模块的具体功能如下：

（1）身份码模块：居民登录小程序获取属于个人的身份码，该身份码即含有居民身份信息的二维码。居民可以通过该二维码验证自己的身份，从而领取带有RFID 标签的垃圾袋。

（2）积分兑换模块：用户可以在小程序中查询积分情况，累计的积分不仅可以用来免费领取带有RFID 标签的垃圾袋，还可以用来兑换各类奖品。

（3）预约回收模块：该功能模块建立在与回收站的联系上，当居民有大件垃圾搬运艰难、丢弃困难等问题时，可点击“一键预约”，并设定上门回收的时间，从而让相关人员上门回收。上门回收完成后，居民既可以选择回收变现，也可以选择通过积分的形式获取奖励。

（4）违规查询模块：在该模块中，用户可查询到自己的一些历史违规行为。比如，当居民投放的垃圾因温度异常使垃圾箱发出警报时，系统会记录该居民的错误行为并自动扣除相应的积分。

本系统的主要功能模块图如图1 所示。

图1 系统功能模块图

2 系统硬件设计

2.1 扫描模块设计

智能垃圾箱内嵌的扫描模块利用LV4200 二维码扫描器，对含有居民身份信息的二维码进行扫描识别从而验证居民身份。在数据采集和二维码自动识别技术的基础上，内嵌扫描模块的智能垃圾箱充分利用二维码赋码功能以及LV4200 扫描模块卓越的识读性能，实现对居民身份的识别和居民投放垃圾的记录，同时借助积分管理系统对用户的相关行为改变对应的积分。

2.2 RFID 模块设计

该模块通过RFID 电子标签与天线之间进行射频信号的空间耦合，并在耦合通道内根据时序关系完成数据的交换和能量的传递，最终实现对标签识别码和内存数据的读写操作。RFID 的工作原理图如图2 所示。

图2 RFID 的工作原理

利用射频识别技术制作的带有RFID 标签的垃圾袋，与居民的个人身份信息进行绑定，居民通过扫描身份码来领取一定数量的垃圾袋。当居民投放垃圾时，垃圾袋上的RFID标签进入到阅读器有效识别的范围内，RFID 阅读器便会自动识别垃圾袋上的标签并打开相应的垃圾箱盖，从而确保垃圾的正确投放。每投放一次垃圾，居民的投放行为将会被记录并得到相应的积分，获得的积分会累计到居民的个人积分账户里。

2.3 称重模块设计

该模块主要用于垃圾的称重，其利用的HX711 重力传感器[4]具有高集成度、高响应度、强抗干扰性等优点。同时，其芯片电子秤的成本较低，提高了性能和可靠性。

当垃圾被投放到不同垃圾桶里时，通过重力传感器收集垃圾重量情况。达到一定重量时，系统通过无线数据传输，将超重信息传给控制中心，该垃圾桶将即刻报警并停止运作，直至维护人员处理完方可正常运作。同时，重力传感器还可以对居民每次投放的可回收垃圾进行称重，并计算垃圾的回收量。系统对投放可回收垃圾的居民会发放相应积分，发放的积分与垃圾的回收量成正比。

2.4 温度测量模块设计

借助温度传感器对环境很敏感的特性，该模块采用PTC热敏电阻[5]，对垃圾桶内的环境进行检测。该热敏电阻同时连接一个报警装置，起到“开关”的作用。当温度升高时，电阻增加并限制电流增加，从而启动报警装置。系统接收到报警提醒后将会立即通知维护人员进行处理，避免一切由烟头、明火等原因引起的火灾。

2.5 满溢检测模块设计

该模块应用超声波传感技术对垃圾桶内垃圾的高度进行检测。通过超声波传输检测到物体返回所需要的时间值得到被测物体与检测器之间的实际距离，从而判断垃圾箱的满溢程度。当垃圾装满到一定程度并输出满溢信号时，信号将发送到远程接收平台，向维护人员发出清理垃圾的指令。

超声波测距原理：由超声波的发射端发射一束超声波并开始计时，发射出去的超声波在介质中传播，当遇到障碍物时就会反射回来，超声波的接收端接收到反射回来的超声波时，计时停止。测距公式：

式中，L为测量的距离长度；C为超声波在介质中的传播速度；T为测量出的传播时间的一半。

2.6 ZigBee 模块设计

主要采用ZigBee 技术实现无线数据传输，由协调器、路由器和终端传感器三部分组成。其中，终端传感器主要用于采集和传输所需数据，确保这些数据顺利传输到协调器，再由协调器借助接口呈现到PC 端[6]。

基于ZigBee 无线通信技术的智能垃圾分类系统包括：定位信号接收系统，用于接收显示所属区域内各个垃圾桶内部情况信息；网状网络拓扑结构，用于连接定位信号接收系统，并将小区内的智能垃圾箱都覆盖在同一个网络下，从而实现实时采集各个垃圾桶内部情况信息，最后将数据上传至服务器对其监管。

3 系统部分软件设计

用户小程序主要由用户个人中心、积分兑换和用户意见反馈三部分组成。其主要用于加强居民生活垃圾的管理，使垃圾分类工作更加人性化、简易化和智能化。居民在小程序中通过手机号进行注册，注册完成后返回登录界面，输入账号和密码即可登录。用户登录界面如图3 所示。

图3 用户登录界面

3.1 个人中心模块设计

该模块包含用户身份码、积分查询、违规记录查询三个子模块。首先，“用户身份码”即含有居民身份信息的识别码，不仅可以用于确认居民是否为本小区的住户，还可以用于扫码来领取带有RFID 标签的垃圾袋。其次，用户可以在“积分查询”子模块中查询个人积分明细，包括积分的增加和减少原因、时间等信息，从而及时了解自己的积分变动情况，有助于用户更好地管理自己的积分。最后，“违规记录查询”子模块内记录了用户个人的相关违规历史。用户可通过该模块知悉个人的违规情况，同时系统也会及时通知用户有关积分变更情况和垃圾投放违规情况。个人中心界面如图4 所示。

图4 个人中心界面

3.2 积分兑换模块设计

积分兑换模块是智能垃圾分类系统中的核心功能模块之一。该模块主要由积分获取规则、积分兑换商品、积分兑换活动三部分组成。

积分获取规则是系统为了激励用户参与垃圾分类而制定的一系列详细规则。用户可以通过完成系统指定的任务或参与活动获取积分，例如正确投放垃圾、参与社区活动、发表用户意见等。获取的积分会实时增加到个人账户中，方便用户随时查看和兑换商品。

积分兑换商品是该模块中最重要的一部分。用户可以使用累积的积分兑换系统中的商品或服务，如垃圾袋、植物、上门回收服务等。系统根据商品的价值和用户的积分情况，自动计算出用户需要支付的额外费用。兑换完成后，系统会自动扣除用户账户中相应的积分，并发放商品或提供服务给用户。

积分兑换活动形式多样，包括限时兑换、积分抽奖、多倍积分等。通过这些活动，智能垃圾分类系统可以吸引更多用户的参与，提高用户的参与度和兑换积极性。

3.3 用户反馈模块设计

为了能够更高效地完成垃圾分类处理，完善垃圾分类管理机制，使得智能垃圾分类系统更加便捷地服务用户，小程序中专门设计了用户意见反馈模块。用户可以在该模块内自由发表对垃圾分类的不同见解，实现相互沟通交流，也可以通过该模块向系统管理人员提出建议与需求。

同时，相关环保部门也可以利用平台浏览用户们的评论并吸取建议，加强与群众的沟通，从而更好地完善垃圾处理制度，形成良性循环。

4 系统流程图设计

4.1 垃圾袋取用流程

当居民通过二维码扫描器扫描身份码时，系统会判别该居民是否为本小区的住户，若该居民为本小区住户，则同意该居民领取带有RFID 标签的垃圾袋。领取垃圾袋的数量可根据自己的积分量决定，每领取一定垃圾袋，则消耗一定量的积分，如积分已全部消耗完，则无法领取垃圾袋。若居民不是本小区住户，垃圾取袋机将拒绝该居民领取垃圾袋。垃圾袋取用流程图如图5 所示。

图5 垃圾袋取用流程

4.2 智能垃圾箱工作流程

通过上述对智能垃圾分类系统的硬件设计，垃圾分类管理系统已初步完成，智能垃圾箱的主要工作流程如下：当居民前往智能垃圾箱投递已分类好的垃圾时，RFID 阅读器识别并读取垃圾袋上的标签，判断垃圾袋内的垃圾是否为可回收垃圾并打开相应的垃圾桶盖，供住户投递。投递完成后，可回收垃圾桶会自动称重垃圾的重量，其他垃圾桶则关闭垃圾桶盖，然后对投放的垃圾进行温度测量和满溢状况检测。检测完成后，对于满载垃圾桶，系统会通过无线模块通知维护人员前来清理。智能垃圾箱工作流程图如图6 所示。

图6 垃圾箱工作流程

5 结论

本文通过合理地运用RFID 射频识别技术及ZigBee 无线通信技术实现高效率、简易化、智能化的垃圾分类管理流程。用户通过扫描身份二维码验证身份信息，射频识别垃圾袋标签完成垃圾分类投放，智能称重实现可回收垃圾的再利用，温度测量保证垃圾箱内温度平衡，超声波测量桶内垃圾高度判断是否满载，无线数据传输实现垃圾分类云端化、智能化、可控化，大大提高了垃圾管理水平和环卫工作者的工作效率，充分调动了人们对垃圾分类的积极性。