城市生活垃圾分类系统的设计与实现——以长汀(原中央苏区)智能运营中心垃圾分类专项建设为例

姜 川，苏志刚，赵 炫，王 路，贾 佳

(正元地理信息集团股份有限公司山东分公司，济南 250014)

随着社会经济发展和人民生活质量的提升，生活垃圾产生量也在急速增长[1]。据统计，2018年200个大、中城市生活垃圾产生量为21147.3万吨，城镇生活垃圾以每年5%～8%的速度递增，“垃圾围城”问题日益突出，垃圾乱堆乱放、污水积聚、蚊虫滋生等问题已成为老百姓普遍关心的问题[2～4]。2019年6月3日，习近平总书记对垃圾分类工作作出重要指示，强调培养垃圾分类的好习惯，为改善生活环境作努力，为绿色发展可持续发展作贡献。

近年来，依靠摆放垃圾桶和人工管理的传统垃圾分类模式，已无法满足城市垃圾分类工作的需要，各省市都在积极推进垃圾分类投放、收集、运输、处置设施建设和改造升级[5～8]，上海、北京等城市已推行生活垃圾强制分类，其他城市也亟待构建完善的垃圾分类体系。本文提出的智慧化、高效化、精准化的城市生活垃圾分类系统是解决垃圾分类问题的有效措施，通过实时感知垃圾分类状态、监督垃圾分类成效，不断完善垃圾分类处理体系建设，不断改善居民的生活环境。

本文以长汀(原中央苏区)智能运营中心垃圾分类专项建设为例，提出软硬件建设的思路及总体框架。

1.1 设计理念

一是与长汀(原中央苏区)智能运营中心相结合。在新型智慧城市建设理念指导下，依托大数据、物联网、云计算等技术手段，通过绘制一张图、建设一张网、进行一治理、搭建一平台、打造三个中心、建立两个保障体系、推进N方面典型应用，构建“423N”新型智慧城市建设运营模式。长汀(原中央苏区)智能运营中心作为建设新型智慧城市的核心工程之一，是支撑长汀县信息化水平全面提升的重要平台和载体。垃圾分类专项建设作为长汀(原中央苏区)智能运营中心建设的重要组成，结合《长汀县生活垃圾分类工作实施方案》的具体要求，以及长汀县新型智慧城市顶层设计，面向汀州首府试点小区居民、中航环卫公司清运部门、环卫处管理部门，构建智慧化生活垃圾分类模式。

二是构建连接硬件设备、软件系统与附近居民的运行服务体系。小区居民在附近垃圾分类亭，可以通过手机扫码投放生活垃圾、兑换礼品，城市管理部门可以实时感知垃圾分类、清运、处置状态[9-10]，驱动生活垃圾分类向智慧化、精准化、个性化模式转型，构建出城市生活垃圾分类智能服务平台[11～13]，引领生活垃圾分类新时尚，创造优良的人居环境。

1.2 设计思路

垃圾分类是一项涉及到“前端、中端、后端”复杂的系统性工程[14～16]。本文提出基于“前端精准分类、中端收运定位、后端记录处置”设计思路，包含智能硬件设计、垃圾袋印制、礼品积分兑换、系统平台研发、软硬件安装调试等过程的技术方案。按照“全面覆盖、环环相扣、层层监管、严格执法、人人守则”的要求[17-18]，全面落实垃圾分类投放、收运和处置工作。

一是智能硬件安装布设方面。在汀州首府试点小区新建仿古式垃圾分类亭，布设厨余垃圾、其他垃圾和有毒有害垃圾箱、四分法可回收垃圾箱、饮料瓶回收机、积分兑换机、洗手装置和视频监控设备。其中，厨余垃圾和其他垃圾的前端装置仍采用240L垃圾桶，与普通设计方式没有区别。

二是系统平台运行设计方面。垃圾分类系统所需计算、存储、网络、数据等各种资源，由云计算中心、云数据中心按需提供服务资源，所需权限认证、安全控制、地理围栏、轨迹纠偏等功能，由智慧城市时空信息云平台提供功能服务。

1.3 系统架构

城市生活垃圾分类系统分为感知层、传输层、数据层和应用层，如图1所示。其中，感知层由可回收垃圾箱、饮料瓶回收机、积分兑换机、视频设

图1 系统架构图Fig.1 System architecture diagram

备组成，采用不同类型的传感器获取垃圾分类实时状态数据。传输层主要负责通过互联网将数据传输到智能运营中心。数据层主要由回收库、积分库、人员库等组成，实现垃圾分类回收和兑换数据的存储与分析。应用层包括APP端和Web应用端，实现扫码投递、垃圾称重、积分兑换以及垃圾分类的追踪追溯。

1.4 硬件设计

1.4.1 可回收垃圾箱

可回收垃圾箱是一种搭载感应开盖、自动称重、满溢报警、异味检测、故障报警等传感器的智能垃圾分类回收箱，如图2所示。

图2 可回收垃圾箱Fig.2 Recyclable trash can

一是扫描二维码开仓门投递。在垃圾投放口右侧安装二维码扫描模组，自动感应扫描APP的投递二维码，蜂鸣器反馈扫描识别成功后，控制板发送请求通过转动连杆打开仓门，在仓门关闭三分之二行程时触发行程开关延时关闭仓门，避免仓门夹手。

二是桶内垃圾量满溢报警。在垃圾桶顶部正上方安装超声波高度传感器，通过控制板心跳程序发送脉冲式超声波信号，实时获取当前的高度值，按满溢值计算公式计算桶内垃圾累计量，当垃圾桶内垃圾量达到报警阈值时，通知中航环卫公司安排人员车辆收运。垃圾量满溢值计算公式为(970mm(240L垃圾桶高度)—实时测量高度)/ 970mm(240L垃圾桶高度)=满溢值(%)，当满溢值小于50%时为正常状态，等于50%时为半满状态，大于50%且小于90%为一般满溢状态，大于90%时为严重满溢状态。

三是投递垃圾自动称重。在每个垃圾桶的底部安装称重传感器，称重传感器的敏感元件采用压电陶瓷，当检测到垃圾投入后，利用压电效应将压力信号转为电信号输出，发送到FCM-CZ01重量变送器，重量变送器采用24位高精度AD模块，采集精度0.01%，采样速率40Hz，通过串口指令校准重量后，读取采集的重量值。

1.4.2 有毒有害箱

有毒有害箱正面以代表有害垃圾的红色为主色调，采用1mm热镀锌电解冷轧钢板为基材，整体分为灯管、灯泡、过期药品、化妆品、杀虫剂、电子垃圾等，并对应每种有毒有害垃圾的特征设计有防盗装置的投口和储仓，避免老人和小孩接触到有毒有害垃圾产生的危险或伤害。

1.4.3 饮料瓶回收机

在投入仓门打开后，将PET塑料瓶条码朝上放入，仓门连接的传输带会向后传送饮料瓶，通道上方的一维扫描模组自动扫描条码上传数据，控制板程序识别为无效瓶，传送带向前传送饮料瓶退回至投瓶口，识别确认其为可回收资源，继续向后传送掉落到回收箱中，计数传感器记录回收饮料瓶的个数，投递完成后通过屏幕下方的二维码扫描模组扫描APP的二维码记录积分。

1.4.4 积分兑换机

积分兑换机柜体设有6层(高)*9格(宽)共54货道、取货口、制冷系统、22寸电容式触摸屏和二维码扫描器，集垃圾袋发放、礼品兑换功能于一体。通过屏幕下方的二维码扫描模组扫描APP的兑换二维码，控制板向后台系统接口发送请求，返回当前积分和可兑换礼品列表在屏幕上显示，选择要兑换的礼品或垃圾袋后货架上相对应的电机带动弹簧推送出礼品，掉落在取货口。

2.1 垃圾分类管理系统

通过垃圾分类管理系统对接可回收垃圾箱、饮料瓶回收机、积分兑换机等硬件设备，实时采集汀州首府试点小区的垃圾分类参与率、投放正确率、积分统计及兑换情况、垃圾总量及分布情况、垃圾袋发放情况、垃圾回收量变化情况、垃圾箱满溢状态，实时调度清运车辆的收集运输。

汀州首府小区居民在投递可回收物纸张、玻璃、金属、塑料、饮料瓶时，前端物联网设备自动称重、计数，按预定义规则产生积分，垃圾分类管理系统会同步记录这些投放行为、积分变化、兑换行为等。为了解决垃圾投放后无法跟踪追溯的问题，在每一个垃圾袋上印制了唯一标识二维码，可溯源到这袋垃圾来自哪户居民、垃圾分类是否准确，针对投放情况督导员进行上门指导，提高居民投放正确率与参与率。

投放点的督导员根据垃圾袋上的二维码复核、追溯该袋垃圾对应居民的原理采用区块链追溯技术，将小区居民取袋、投递和积分累计全过程信息上链，所有数据信息记录在分布式账本上，每个区块按时间的顺序相连接，链上的节点通过Kafka模式共识算法，使上链数据难以篡改。整体架构基于Hyperledger Fabric联盟区块链，在数据层的区块上封装垃圾袋唯一标识、领用居民、投递称重、积分兑换及时间戳等信息采用CouchDB存储，在网络层将回收机构和监管机构建立单独channel，在合约层采用Go语言开发智能合约，在应用层采用SpringBoot和VUE开发包含浏览器端和移动端的垃圾分类管理系统。

2.2 垃圾分类移动端

通过移动端完成垃圾分类硬件设备、软件系统与附近居民的连接，垃圾分类移动端提供扫码投递、礼品兑换、分类指南、我的成就等功能，如图3所示。从而实现对居民垃圾分类的有效引导，同时与奖励机制有机结合，在扫描投放可回收垃圾后，根据可回收物的种类和重量获取积分，积分可兑换礼品，调动居民对垃圾分类的积极性，培养垃圾分类的良好习惯。

图3 垃圾分类移动端Fig.3 Mobile garbage sorting

在移动端应用了动态二维码技术，从领取垃圾袋到投放垃圾到礼品兑换都是通过移动端的动态二维码实现，从而避免被恶意的人用来收集数据、盗用积分。在移动端发送动态二维码请求，后台getCode接口获取包含用户信息、设备信息、请求次数和时间戳的数据包，然后creatCode接口将数据包封装为第一密钥，生成伪随机数封装为第二密钥，再附加有效时间形成密文，按QR Code码制要求每分钟生成一幅二维码图像。现场硬件设备扫描到二维码后，后台authenticationCode接口得到某一帧二维码数据进行解密，先进行时间验证，若扫码时间减去生成时间小于有效时间，则继续验证伪随机数是否一致，而后继续验证用户信息、请求次数的密文是否正确，任一节点数据比对失败则验证不通过。

在汀州首府垃圾分类试点小区配备了垃圾分类督导员现场劝导指导居民如何垃圾分类，如图4所示。经过一个月的宣传和试运行，验证了小区居民取袋、扫描投递、垃圾称重、积分累计、礼品兑换、收运定位、追踪溯源等信息准确无误，根据系统后台记录统计当月回收金属30.2kg、塑料128.01kg、纸类79.85kg、玻璃17.04kg、饮料瓶124个。

图4 现实场景应用图Fig.4 Real-world application diagram

本文通过建立汀州首府智能化垃圾分类示范点，提出了硬件和软件相结合的设计方案，将小区居民的垃圾投放行为进行实时采集，并通过激励和追溯的方式引导居民主动分类、自觉投放，养成由随手“扔”变成随手“分”的良好习惯，增强居民垃圾分类回收意识和参与垃圾分类的积极性，有效提升垃圾分类精细化管理和智能化服务水平。

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