基于RFID的智能垃圾分类系统的设计与实施

江 辉

（安徽电子信息职业技术学院， 安徽 蚌埠 233030）

一、前言

随着国家经济的快速发展和人们生活水平的提高，我们城市化建设速度加快，城市人口剧增，随之而来的城市垃圾也成为制约和限制城市发展的重大问题之一。城市生活垃圾主要成分可分为三大类：可腐有机物(以厨余为主)、可燃有机物(塑料、废纸、橡胶、皮革、竹木、布类等)、无机物(煤渣、砖瓦、地灰、玻璃、金属等)。不同城市垃圾的构成是不相同的，解决垃圾问题的目标是将垃圾减量化、资源化及无害化处理。目前主要有三种方法：填埋、堆肥及焚烧处理。三种方法的优缺点如表1所示。

表1 垃圾处理优缺点

堆肥技术比较简单，适合于易腐有机质含量较高的垃圾处理，对垃圾中的部分组分进行资源利用，且处理相同质量的垃圾投资比单纯的焚烧处理大大降低。不能处理不可腐烂的有机物和无机物，因此减容、减量及无害化程度低。

城市因地理位置和居民生活习惯不同，垃圾成分所占比例也各不相同，处理垃圾也要因地制宜，将多种垃圾处理技术有机结合在一起使用。综上所述，分析垃圾的成因和垃圾处理机制的建立，表明城市垃圾处理是一项重大的工程，在此过程需要广大居民来对家庭产生的垃圾进行分类投放，如果能有效的配合，科学合理地处理垃圾才是有效的。我国也是最早提出垃圾分类的国家之一，但实施效果并不好，如何有效地促使居民进行垃圾分类，本文提出的观点是一建立垃圾分类的激励机制，二是采用技术手段促使居民进行垃圾分类。

射频识别（RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。射频识别（RFID）有如下特性：

1.快速扫描，可同时辨识读取数个RFID标签。

2.体积小型化、形状多样化，不必设定特定的尺寸。

3.抗污染能力和耐久性强，对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性，不会受到折损等影响

4.穿透性和无屏障阅读，RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。

5.安全性高，存数数据内容可经密码保护，使其内容不易被伪造级更改。

二、系统结构设计

垃圾分类是一项长期的工程，需要全民都参与，本文提出的观点是应用于生活小区。居民生活小区产生的垃圾主要是以厨余垃圾为主，因此文章提出采用物联网技术来设计智能分类垃圾箱，通过RFID等物联网技术来促使居民对垃圾进行分类投放，同时，设定一定的激励机制，以投放垃圾的总量按照月份进行积分奖励，从技术和奖励机制的角度来逐步建立垃圾分类投放的良好习惯。

具体设计如下：利用新兴的物联网技术来实现智能垃圾回收处理。主要用于帮助用户培养垃圾分类意识以及正确地垃圾分类投放。利用RFID技术为每个用户建卡，通过高频卡领取贴有RFID标签的垃圾袋，在家里将生活垃圾分别装入相应的垃圾袋里，垃圾回收箱上装有RFID读写器，自动识别垃圾袋上的标签，打开相应的垃圾桶盖。同时，智能垃圾回收处理平台记录用户投放垃圾的信息，对某些可直接回收资源，可以通过垃圾回收箱上的电子称重传感器，将相应的积分写入到用户的账户里。用户可以使用积分换取物品或者抵消物业管理费用。

（一）智能分类垃圾箱的设计

系统硬件框架设计如图1所示。

图1 智能垃圾箱内部结构图

红外模块：主要用来检测垃圾箱周边是否有人，如果检测到有人靠近，在设定的距离内，则红外模块与单片机控制模块进行通信，单片机控制模块通过输出高低电平，控制电机模块进行正传还是反转，从而控制垃圾箱盖的打开和关闭。

超声波模块：在垃圾箱内设计安装3-5个超声波模块，超声波模块主要用来检测垃圾箱内垃圾的高度，也就是用来监控垃圾的满溢程度，在投入使用过程中，实时显示的是上次垃圾箱盖打开时检测的垃圾高度，每次在用户投放垃圾后，超声波模块都会自动测量垃圾高度，并通过无线模块上传到上位机，用于实时监控各个垃圾箱中垃圾的高度。

温湿度模块：用于监控垃圾箱中的温湿度，用于防止夏季垃圾箱中温度过高，或者出现有烟头明火等现象。

称重模块：用于称量每次用户投放的可回收垃圾，因为设定的场景为小区用户，主要垃圾为厨余垃圾，故设定称重传感器用来称重，因此建立奖励机制。

图2 系统框架图

RFID模块：电子标签读写器，用来识别垃圾袋上的电子标签，通过读取的内容，来判断要打开的垃圾桶盖，同时将称重的结果写入到用户卡中。

无线模块：主要采用ZigBee技术，利用ZigBee自组网特性，将小区内的智能垃圾箱都覆盖在同一个网络下，实时采集各个智能垃圾箱中的数据，供上位机端监控和调度。

（二）系统框架设计

如图2所示，社区中摆放多个智能垃圾箱，每个垃圾箱为一个点，垃圾箱之间通过ZigBee模块组建网络，然后将智能垃圾箱里采集到的数据上传到服务器里，上传的数据在服务器里进行整理和存储。客户端可以通过网络，实时监控各个垃圾箱的信息状态。服务器和客户端，服务器和垃圾箱之间在传递数据是采用MQTT协议，这样就能保证数据的实时更新。

（三）系统软件设计

红外模块的程序流程图如图3所示，当检测到有人靠近时，信号放大，驱动电机将桶盖打开，使桶盖处于打开状态，在检测到人离开后，通过程序设定时间间隔，控制电机将桶盖关闭，处于检测状态。

图3 红外模块程序流程图

RFID模块的程序流程图如图4所示，用户持卡到智能垃圾箱前，首先通过RFID读写器识别用户卡，如果属于小区用户，则将卡内信息在显示屏上显示，用户将贴有电子标签的垃圾袋靠近电子标签阅读器，阅读器读取电子标签的内容，从而决定打开可回收垃圾桶还是不可回收垃圾桶，当打开可回收垃圾桶后，用户将垃圾投进垃圾桶，此时自动采集称重传感器的值，将此次用户投放垃圾重量通过无线模块上传到服务器，同时将垃圾桶盖关闭，垃圾桶盖关闭后，触发超声波测量，测量此时垃圾桶中垃圾的高度，并通过无线模块上传。

图4 RFID模块的程序流程图

四、结语

我国也是最早提出垃圾分类的国家之一，但目前成效并不是很好，如何利用现有的物联网技术促使人们增强垃圾分类意识，从而在平时投放垃圾时候有意识地进行分类，是本文研究的重点，在设计过程中，使用传感器部件和无线模块设计智能分类垃圾箱，通过识别垃圾袋上的电子标签，自动判断并打开相应的垃圾桶盖。从而达到垃圾分类投放的效果，能有利于培养居民垃圾分类的意识。同时通过实时监控垃圾箱中垃圾情况，能大大降低物业清洁人员的工作量，系统在实施过程中，能实现垃圾投放，实时监控垃圾箱的满溢状态，垃圾箱内的温湿度，预防火灾的发生和细菌的传播，为促进智慧城市的建设贡献力量。