基于大數據的垃圾統(tǒng)計和應用系統(tǒng)

彭勇勝 劉萬強 葉光卉

摘 要：本系統(tǒng)主要分為數據采集模塊和數據處理模塊。數據采集模塊以智能垃圾箱為基本單位，主要使用STM32系列芯片作為主控器，利用壓力、聲音傳感器采集垃圾重量、數量、種類等信息并存儲。數據采集完成后，通過ZigBee無線通信技術將數據發(fā)送到垃圾運輸車上的接收終端設備，最后回傳給處理中心。數據處理基于分布式數據庫的大數據處理系統(tǒng)，通過方言分析、關鍵詞匹配、數據分類和數學建模等處理，完成對信息的分析加工并提供給使用者。

關鍵詞：智能垃圾箱；STM32；ZigBee；數據采集；大數據；云計算

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-0056-02

0 引 言

近年來，我國城市化進程加快，城市數量和規(guī)模不斷擴大，但由于環(huán)境保護基礎建設嚴重滯后，使得城市垃圾對城市生態(tài)環(huán)境的污染日益嚴重。目前，我國每年產生近10億噸城市垃圾，且以年平均10%左右的速度增長。截止2014年底，我國城市生活垃圾已產生17 899萬噸，清運17 677萬噸，處理16 681萬噸[1]。垃圾是一種放錯了位置的資源，除了一般的可回收利用外，其中還蘊含著豐富的信息，我們有必要對其加以采集和利用。因此，結合物聯網技術，我們嘗試提出一種基于大數據的垃圾統(tǒng)計和應用系統(tǒng)，用以發(fā)掘垃圾中蘊含的信息價值。

1 系統(tǒng)層次框圖

本系統(tǒng)采用物聯網架構體系，從感知層、網絡層和應用層進行系統(tǒng)設計[2]。本系統(tǒng)的層次架構圖如圖1所示。

（1）感知層以智能垃圾箱為基本單位，利用壓力、聲音傳感器采集垃圾重量、數量（一個統(tǒng)計周期內某種垃圾被投放的次數）和種類信息并存儲。

（2）網絡層利用ZigBee技術將采集到的數據發(fā)送到垃圾運輸車上的終端接收設備，最后回傳給處理中心。

（3）應用層主要依賴大數據處理系統(tǒng)，通過方言分析、關鍵詞匹配、數據分類和數學建模等處理，完成對信息的分析加工并提供給不同的使用者。

2 系統(tǒng)各模塊詳細設計

2.1 智能垃圾箱與數據采集

智能垃圾箱主要由感應、通信、處理、存儲四大模塊組成，其中感應模塊包括壓力、聲音感應兩部分。垃圾箱頂部有四塊大小為50 mm×50 mm的5 V，200 mA的太陽能電池板[3]，為控制系統(tǒng)供電。頂部四面均傾斜一定角度，利于電池組接收太陽光和雨天排水。

可拆卸箱體下為底座和壓力開關。底座部分為控制系統(tǒng)的主體。垃圾箱的微處理芯片選擇高性能的STM32單片機，內置數模轉化功能，可實現聲音采集和存儲功能[4]。通信模塊選擇ZigBee技術，待機電流為微安級，發(fā)射電流為毫安級，通信范圍最大為100 m，具有低成本、低功耗等優(yōu)勢[5]。本系統(tǒng)對垃圾重量進行非精確統(tǒng)計，即精度要求不高，市面上絕大部分壓力傳感器都能滿足要求。存儲介質采用SD卡，具有價格低廉、非易失性等特點。

壓力開關采用腳踏方式。當人往垃圾箱投擲垃圾時，用腳踏方式觸發(fā)垃圾箱的壓力開關，啟動處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)會監(jiān)聽是否有聲音（用于識別垃圾種類），當有聲音時便存儲聲音數據并打開垃圾箱蓋子。垃圾投擲完后，松開腳踏，箱蓋依靠重力落下，系統(tǒng)檢測此次投擲的垃圾重量并存儲，接著控制開關復位，最后系統(tǒng)切換到休眠狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，聲音控制只起到開關的作用，真正打開垃圾箱蓋子的能量來源于人的腳踏。智能垃圾箱的3D模型如圖2所示。

2.2 數據通信

垃圾運輸車上的數據接收模塊作為數據采集模塊的一部分被設計成一種可掛載硬件，在工作時安裝到運輸車上。考慮到能耗，決定采用隨開隨用的方式，即將要到達目標范圍時，司機通過開關開啟硬件發(fā)送信號。運輸車從進入通信范圍到離開，中間有充足的時間傳輸數據。在運輸車到達之前，垃圾箱單片機系統(tǒng)一直處于低能耗的休眠狀態(tài)。垃圾箱與車載設備之間的具體通信過程如下所示：

（1）垃圾運輸車在行進至距離垃圾箱20 m左右時，發(fā)送廣播信號搜尋并激活附近設備。

（2）垃圾箱主系統(tǒng)接收到激活信號后立即被喚醒，發(fā)送應答信號。

（3）車載設備的通信模塊與垃圾箱的通信模塊進行一次握手，待握手成功后，形成穩(wěn)定的通信鏈路，兩者通過2.4 GHz的頻段通信[6]。

（4）垃圾箱信息發(fā)送完畢并接收到車載設備的確認信號后，將存儲模塊中的數據清空，同時向車載設備發(fā)送斷開連接的信號，并進入休眠狀態(tài)。

至此，垃圾箱與車載設備之間的信息交互過程結束。

2.3 數據處理

車載設備在獲取相應區(qū)域內的數據后，返回發(fā)車處并將數據上傳到網絡中心，網絡中心對收集到的原始數據進行云計算。聲音數據處理依托分布式數據庫[7]。采集各地區(qū)方言存入本地方言數據庫[8]，作為標準語音樣本，當實際數據傳回后與標準聲音樣本匹配，選取匹配度最高的標準樣本作為該數據的最終結果。如果待識別聲音在該標準樣本庫中匹配度低于設置的匹配下限，則將數據傳輸給與自己相似度最高的其他方言數據庫，如果匹配度依然不達標則重復上述步驟，直至找到符合要求的標準樣本或者訪問完所有數據庫依然不能識別則棄用。

聲音樣本匹配主要利用聲音的相似性識別原理，將被識別的聲音數據與標準聲音樣本進行比對，從而得到目標聲音與標準聲音的一致性判斷[9]?？紤]到模擬信號識別的復雜性，在本系統(tǒng)中使用聲音數字識別技術，需要對被識別聲音信號進行量化，然后提取聲音特征，最后通過對聲音的特征匹配得出結果。聲音匹配過程如圖3所示。

由聲音數據可分析出垃圾的種類。垃圾的重量信息可由壓力傳感器直接采集，且每個垃圾箱的地址唯一標識，因此可以通過數學方法建立各區(qū)域在每個統(tǒng)計周期內的各種類型垃圾投放量的預測模型。

2.4 數據應用

在網絡中心，客戶根據自己的需求獲取相應的數據，通過對數據進行深度分析以制定相應的計劃和決策[10]。例如政府統(tǒng)計部門可以根據這些數據合理推斷該地區(qū)的人口密度、消費結構、供貨需求等，以便政府了解居民的飲食習慣，評估居民的生活水平和指導居民的生產生活等。衛(wèi)生部門也可以據此合理規(guī)劃垃圾運輸車的路線、車次，實現資源利用最大化。

如下所示為模擬整個系統(tǒng)的工作場景：

某人通過腳踏方式觸發(fā)垃圾箱工作，發(fā)聲“白菜、蘋果”打開垃圾箱蓋子完成投擲。垃圾箱接收到聲音后，控制系統(tǒng)將聲音數據儲存在SD卡中并進行測重，采集完數據后進入休眠模式。垃圾運輸車到達該垃圾箱一定范圍（20 m左右）時和垃圾箱建立數據連接，完成數據傳輸后，垃圾箱被清空，數據清零。垃圾運輸車完成當天任務，返回停車處，工作人員上傳數據至網絡中心，并且清空車載設備記錄。

網絡中心收到數據后對聲音進行處理，得到實際垃圾的種類和重量數據。工作人員發(fā)現多日沒有1號區(qū)域編號為#CD666##的垃圾箱數據，且1號區(qū)域垃圾明顯增多，要求維修人員維修并增派運輸車到1號區(qū)域。

物價局（用戶）可在網絡中心獲取關于食品類的數據并分析，發(fā)現1號區(qū)域蔬菜水果消費明顯增多，于是考慮從2號區(qū)域調控。

3 結 語

依托垃圾箱采集和統(tǒng)計數據是物聯網的一個創(chuàng)新應用，是推進城市智能化的重要手段。其中涉及到云計算、大數據處理、傳感器應用等物聯網關鍵技術，這些技術的應用是推進社會進步的重要力量。我們提出的基于大數據的垃圾統(tǒng)計和應用系統(tǒng)對發(fā)展經濟、關注民生有一定的公益意義。但本系統(tǒng)的實現還需要更成熟的技術和更人性化的設計。

參考文獻

[1]中國報告大廳（www.chinabgao.com）.2015年我國垃圾處理行業(yè)發(fā)展現狀分析[R].2015-07-13.

[2]吳功宜，吳英.物聯網技術與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3]趙書安.太陽能光伏發(fā)電及技術應用[M].南京：東南大學出版社，2011.

[4]劉鵬飛，劉云學.基于STM32的智能家居系統(tǒng)[J].光電技術應用，2013（3）：55-60.

[5]杜軍朝，劉惠，劉傳益，等.ZigBee技術原理與實戰(zhàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

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[6]李鑫.基于ARM的ZigBee無線通信系統(tǒng)研究與實現[D].上海：上海交通大學，2009.

[7]溫偉強.Oracle分布式數據庫及其應用研究[J].電子技術與軟件工程，2015（6）：201.

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[9]劉曉宇.基于神經網絡的聲音識別算法研究[D].北京：北京郵電大學，2014.

[10]大數據建模的數據庫規(guī)劃[J].網絡運維與管理，2013（17）：8.