生活垃圾分類回收處理體系及智能分類垃圾箱設計

高士雅，胡曉穎，董景峰

（東北林業大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著經濟社會發展和物質消費水平大幅提高，我國生活垃圾產生量迅速增長，環境隱患日益突出，已經成為新型城鎮化發展的制約因素。加快建立分類投放、分類收集、分類運輸、分類處理的垃圾處理系統勢在必行。從上個世紀末開始我國便開始陸續頒布一系列有關垃圾分類的政策，2000年之前的法律法規雖然提出了進行垃圾分類的要求，但并沒有明確具體的垃圾分類標準以及實施辦法。2000年建設部頒布了《關于公布生活垃圾分類收集試點城市的通知》，選取試點城市，推行生活垃圾分類收集，正式進行垃圾分類的實踐，推行可回收垃圾與不可回收垃圾的二分法。此后，試點城市陸續探索“2+X”模式的垃圾分類處理的工作辦法。

2017年國家發展改革委、住房城鄉建設部頒布《生活垃圾分類制度實施方案》，其中明確指出實施生活垃圾強制分類的城市要結合各地實際情況，細化垃圾分類類別、品種、投放、收運、處置等方面要求。其中，必須將有害垃圾作為強制分類的類別之一。2018年至2019年，教育部、環保部、住建部、國務院等國家部門先后出臺一系列行政法規，全國垃圾分類行動掀起高潮。目前，我國基本形成以《憲法》為根本依據，《中華人民共和國環境保護法》為環保基本法，《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》《城市市容和環境衛生管理條例》為主體，《全國城市生活垃圾無害化處理設施建設規劃》《城市生活垃圾管理辦法》《城市生活垃圾處理及污染防治技術政策》等政策法規為內容的城市生活垃圾治理政策體系[1]。2019年7月，上海市出臺了“史上最嚴”的生活垃圾管理條例。在條例的推動下，上海市民逐漸養成了垃圾分類的習慣，更是在全國范圍內掀起了垃圾分類相關話題討論的熱潮。2019年12月6日，垃圾分類入選“2019年中國媒體十大流行語”。近年來，我國垃圾分類工作火熱開展，不僅是上海，全國各大城市垃圾分類政策密集出臺。住房城鄉建設部表示，自2016年以來，各地全力推進生活垃圾分類工作，取得積極進展。在2020年，很多城市積極加入到“強制分類”隊伍中，并在條例中明確提到運用“信息化”、“科技手段”、“科技創新”、“智能化”等手段提高生活垃圾管理科技化水平。

但是，目前我國生活垃圾分類設備及回收處理方面還存在著諸多問題，比如垃圾源頭分類缺乏激勵機制、垃圾源頭分類監督效率低、垃圾分類普及困難等。而要解決此問題，生活垃圾分類設備研發及其回收處理體系的構建就成為重要的研究內容之一。聶偉等提出基于激勵理論的城市生活小區垃圾分類回收系統探討，該系統通過激勵方式能夠有效促進居民對生活垃圾分類的積極性，但將垃圾分類處理外包的方法增加了政府管理成本，且很難確保第三方公司的處理標準性[2]。楊青建立了一種校園垃圾分類回收及資源化利用體系，但范圍僅限于校園當中，不具有普適性[3]。趙星通過研究的歐盟廢棄物處理的方式方法，給出了一系列可借鑒的垃圾分類回收處理經驗[4]。郝皓等闡述了我國逆向物流的商業價值及模式，為生活垃圾分類回收處理帶來了一定的參考價值[5]。王科舉等基于Arduino和樹莓派設計了一種可實現自動分類的垃圾桶，但只能實現兩種垃圾類別的分類，且具有多種垃圾同時投入時無法處理[6]。黃劍林等設計了基于MCU的智能分類垃圾箱，使用者通過語音實現人機交互，與普通分類回收垃圾箱相比能夠幫助使用者辨別垃圾類別，但仍需使用者選擇垃圾箱體進行投放，不能有效提高垃圾分類的正確率[7]。因此，構建可行的生活垃圾回收處理體系和研發具有普適性的生活垃圾分類垃圾箱可為生活垃圾分類制度實施提供有效的設備和實踐支撐。

1 基于逆向物流的垃圾分類回收處理體系

目前我國大部分地區并沒有對生活垃圾處理過程進行嚴格分類，這使得前端生活垃圾源頭的分類作用甚微，不利于可回收資源的回收處理，實現垃圾減量，還可能推高垃圾分類回收的總體成本。

垃圾分類工作的開展要全面而細致，必須同時推進分類投放、分類儲運、分類處理各個環節。各環節的主體、作業內容以及作業要求各不相同，應做到區別對待，并理清各環節之間的關系，分類投放的主體是民眾，分類儲運的主體是區域管理者及環衛工人等相關工作人員，分類處理的主體是企業及政府機構，生活垃圾分類回收體系的建立應保證各主體之間形成相互促進、相互監督的良性發展關系。同時還應完善垃圾分類回收處理體系各個環節的設備與設施，加快建立科學、高效、現代化的生活垃圾回收處理體系，保證生活垃圾分類回收處理體系的整體性，不能讓任何一個環節掉隊。

生活垃圾一般可分為可回收垃圾、有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾四大類別，其中可回收垃圾可通過綜合處理進行回收利用，如每回收一噸廢紙可造好紙850kg，節省木材300kg，相較等量生產減少污染74%。廚余垃圾經過生物技術的處理可制成堆肥，每噸廚余垃圾約可產生0.3t有機肥料。有害垃圾如廢電池等經過特殊安全處理對比于傳統的填埋、焚燒處理可減少對土地、水資源等的環境污染。其他垃圾包括除上述三類垃圾之外的磚瓦陶瓷、渣土、衛生間廢紙等難以回收的廢棄物，通過衛生填埋可減少對地下水、地表水、土壤及空氣的污染。

根據逆向物流的基本模式以及生活垃圾分類回收處理逆向物流網絡的建立措施可以建立如圖1所示的生活垃圾分類回收處理體系。

圖1 生活垃圾分類回收處理體系

在垃圾分類的源頭，政府首先應對公眾進行有效的垃圾分類宣傳教育。公眾將生活垃圾分類后，按類別投放到指定的回收地點。對于分類正確的投放者采取累積獎勵制度，從而達到激勵作用。而后區域管理者或環衛工人等相應工作人員將垃圾進行轉運，在垃圾轉運站實行分流處理。可回收垃圾進入資源回收企業實現資源再利用；廚余垃圾進入堆肥廠生產肥料，剩余殘渣轉運至垃圾填埋場填埋處理；有害垃圾首先進行安全處理，再進行填埋，大大減少污染；其他垃圾直接進入垃圾填埋場進行填埋。從而可以更好的實現生活垃圾的再利用，盡可能的降低其對環境的影響。

2 智能分類垃圾箱的設計

2.1 智能分類垃圾箱外觀設計

智能垃圾箱作為生活垃圾回收的主要設備，其適用性、智能化和方便性等起到至關重要的作用。因此，本文對智能分類垃圾箱進行了系統設計，其總體結構由樹莓派4b、Arduino開發板、Open MV CAM攝像頭、舵機、光電傳感器以及重量傳感器組成。垃圾箱外觀設計如圖2所示，共配備五個箱體，分別為可回收垃圾箱體、廚余垃圾箱體、有害垃圾箱體、其他垃圾箱體以及不可識別垃圾箱體。使用者將垃圾對準掃描窗口，顯示屏顯示識別結果，同時垃圾箱對應箱體擋板打開，使用者將垃圾投入。垃圾投入后，垃圾箱體擋板自動恢復關閉狀態。

圖2 垃圾箱外觀模型

2.2 智能分類垃圾箱控制系統設計

智能分類垃圾箱控制系統總體硬件結構如圖3所示。其中紅外感應模塊收集垃圾靠近信號；攝像頭模塊進行圖像獲取；樹莓派控制器實現垃圾類別識別功能；顯示屏顯示垃圾識別結果；Arduino驅動外設工作，控制垃圾箱體擋板的關閉和釋放；舵機直接驅動擋板；重量感應模塊反饋垃圾已投入箱體的信號；藍牙模塊實現Arduino控制器參數的設置。

圖3 系統總體硬件結構

當垃圾箱使用者將垃圾靠近掃描窗口時，光電傳感器被遮擋，常開開關閉合，光電傳感器將該信號傳遞至Arduino控制器。光電傳感器選用型號為E3FDS30C4，如圖4所示。該傳感器感應距離為10-50cm，保持常開狀態，有物體遮擋時開始工作。防水性較好且價格較低，適宜安裝在戶外使用的垃圾箱上。

圖4 光電傳感器

副控器主要用于控制舵機等外設工作，Arduino具有豐富的外圍硬件及類庫支持，因此選用Arduino開發板作為副控制器，如圖5所示。

圖5 Arduino控制器

Arduino控制器控制流程如圖6所示。Arduino上電后首先進行系統初始化，在接收到通過ADC接口與其相連的紅外傳感器的垃圾投擲動作信號后，Arduino控制器控制攝像頭開啟，獲取垃圾圖像。

圖6 Arduino控制流程

Arduino開發板與樹莓派通過USB進行串口通信，Arduino控制器接收到樹莓派垃圾識別結果后，根據其結果驅動相應舵機使擋板釋放。Arduino與樹莓派的通信協議見表1。

表1 Arduino與樹莓派通信協議

在擋板釋放后，使用者將垃圾投擲到垃圾箱體當中，箱體底部的重量感應模塊將重量發生變化的信號傳遞給通過ADC接口相連的Arduino控制器，從而驅動舵機使擋板恢復關閉狀態。

樹莓派4b如圖7所示，運行效果較好且價格低廉，符合在實際應用當中的性價比要求，因此選用樹莓派4b作為該智能分類垃圾箱的主控器。

圖7 樹莓派4b

攝像頭采用Open MV CAM攝像頭，該攝像頭體積小、功耗低、成本低。Arduino通過I/O引腳觸發拍攝，并且攝像頭向樹莓派控制器傳遞圖像。

攝像頭在獲取垃圾圖像后首先判斷圖像內是否具有商品包裝條形碼，若有則通過條形碼查詢產品信息，并將信息傳遞給樹莓派控制器，從而根據信息判斷垃圾類別，如圖8所示。

圖8 包裝條碼識別結果

若圖像當中沒有商品包裝條形碼或不能讀取條形碼信息，攝像頭則直接將圖像傳遞至樹莓派控制器，樹莓派控制器根據圖像直接判斷垃圾類別，如圖9和圖10所示。

圖9 圖像預處理

圖10 識別圖像類別

在得到垃圾類別后樹莓派控制器將該結果傳遞給通過USB相連的Arduino控制器。同時通過DSI接口連接顯示屏顯示垃圾識別結果。

舵機選用金屬齒MG996R舵機（如圖11所示），可動作角度145，通過舵機接口與Arduino控制器相連，在Arduino接收到識別結果后驅動相應舵機控制垃圾箱體擋板的釋放。

圖11 智能分類垃圾箱舵機

重量傳感器通過數字量變送器向Arduino通過I/O接口輸出數字信號，驅動舵機控制擋板恢復關閉狀態。

3 結語

當“垃圾圍城”持續上演，不僅是垃圾填埋場地區深受困擾，環境也在因此持續惡化。隨著國家政策的不斷出臺，各地區積極響應，垃圾的回收處理方式正在發生改變。為使得生活垃圾的分類回收處理現狀得到改善，本文結合生活垃圾分類過程中的實際問題，提出了生活垃圾分類回收處理體系，并設計了一款可解決垃圾分類監督效率低、垃圾分類普及難等問題的智能分類垃圾箱。文中對智能分類垃圾箱的外觀、總體結構和控制流程進行了詳細的闡述，其可實現大多數生活垃圾的合理分類，可為生活垃圾的有效循環利用提供必要的基礎保障。