基于物聯(lián)云的垃圾箱預(yù)警及清運系統(tǒng)

王鴻菲，杜洪波，朱良雙，王旭，黎詩

（沈陽工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民生活水平不斷地改善，城市生活垃圾引發(fā)的環(huán)境問題也越來越突出。目前城市里現(xiàn)有的垃圾收運系統(tǒng)簡單，無法滿足城市需求。同時隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G 技術(shù)的不斷發(fā)展，使得人們對垃圾箱、垃圾車、回收站等各個環(huán)節(jié)的信息采集能做到實時獲取、實時分析［1］?；谖锫?lián)云的垃圾箱預(yù)警及清運系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)是高度信息化、智能化的調(diào)度管理，提高收運效率、削弱對環(huán)境的污染、減小對住戶的負效應(yīng)影響、降低收運成本，實現(xiàn)人與自然和諧相處。但已有的智能垃圾箱的成本偏高，即投放、使用和維護成本遠高于普通垃圾箱。本文開發(fā)的智能小旭，投放成本低，安裝維護方便，較同類產(chǎn)品具有一定優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，提出一種從垃圾箱滿溢監(jiān)測到云平臺可視化實時管理，再由云平臺進行任務(wù)派單的清運系統(tǒng)，可以及時、快速、準(zhǔn)確、高效地處理垃圾桶滿溢問題，進而實現(xiàn)智能化信息化的收運體系。

1 物聯(lián)網(wǎng)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是一種物與物之間連接的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)可以看作是互聯(lián)網(wǎng)的擴展和延伸，將傳感器技術(shù)等運用在物體與物體之間，實現(xiàn)信息的采集、傳輸、儲存、分析等功能，物聯(lián)網(wǎng)是由多學(xué)科交叉形成的技術(shù)應(yīng)用。隨著中國制造2025 的不斷推進，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展迎來了新的機遇。越來越多的工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)了跨界組合，通過互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建了融合的環(huán)境［2］。

早在20 世紀(jì)80 年代，德國就利用射頻技術(shù)來辨識垃圾容器里的信息，隨后在19 世紀(jì)末的歐洲便將射頻技術(shù)應(yīng)用到垃圾處理當(dāng)中。隨著技術(shù)的不斷迭代更新，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迎來發(fā)展的黃金時期，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在城市垃圾的收運當(dāng)中也取得了一定的效果［3］。中國近幾年在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用上也取得了一些成果，其中物聯(lián)云關(guān)鍵技術(shù)如圖1 所示。武漢市利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了再生資源的智能采集、收運和處理，做到了對再生資源的整個流程的實時監(jiān)管；上海市自2010 年起便大力推行物聯(lián)網(wǎng)等科學(xué)技術(shù)運用在城市生活垃圾收集、運輸、處理各個節(jié)點，搭建了生活垃圾處理信息公共服務(wù)平臺，實現(xiàn)垃圾收運作業(yè)的全過程監(jiān)管，很大程度的提高了環(huán)衛(wèi)工作的效率［4－5］。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)垃圾清運系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分類圖Fig.1 Classification chart of key technologies of Internet of things garbage collection and transportation system

雖然中國在物聯(lián)網(wǎng)垃圾收運這一領(lǐng)域有一些應(yīng)用，但也存在很多的不足和缺點。例如：歷年來的關(guān)于垃圾的大數(shù)據(jù)很缺乏，導(dǎo)致無法做出有效的決策；其次，關(guān)于垃圾收運整個系統(tǒng)流程的開發(fā)較少，垃圾處理系統(tǒng)集成度不高，都是關(guān)于某一個方面零散的一塊，使得管理成本大大提高。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計

基于物聯(lián)云的垃圾箱預(yù)警及清運系統(tǒng)包含了垃圾從產(chǎn)生、收運到處理整個流程的實現(xiàn)，以基于智能小旭的垃圾箱、云平臺管理端以及環(huán)衛(wèi)人員手機小程序為主要的功能實現(xiàn)手段，智能垃圾箱為媒介的高效、實時的環(huán)衛(wèi)行業(yè)運營模式，建立了高度信息化的垃圾收運系統(tǒng)，系統(tǒng)模塊圖如圖2 所示。

圖2 頂層功能模塊圖Fig.2 Top level function module diagram

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計

本系統(tǒng)的總體功能是對垃圾箱的溫濕度、地理位置、滿溢情況進行檢測，數(shù)據(jù)通過NB－IoT 模組BC20 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊將獲得的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺［4］，達到實時監(jiān)控各區(qū)域垃圾箱的滿溢等情況，其中硬件模塊設(shè)計如圖3 所示。為管理平臺的收運規(guī)劃提供決策數(shù)據(jù)，實現(xiàn)垃圾收運的智能化。

圖3 硬件模塊Fig.3 Hardware module

2.1.1 stm32 主板

stm32 主板，采用stm32L 超低功耗系列的stm32L151RCT6 型號，來保證在完成基本任務(wù)條件下較長的使用時間，5 組GPIO為搭載其它外設(shè)提供了大量接口，便于連入各種傳感器［6－7］。

2.1.2 BC20 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊

BC20 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊具有多頻段NB－IOT 無線通信功能，支持低電壓供電，具有超低功耗超高靈敏度，兼容GNSS等模塊，可以通過MQTT 協(xié)議注冊到開放的云平臺，并將單片機上的負載所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫宋锫?lián)網(wǎng)平臺，數(shù)據(jù)傳遞過程穩(wěn)定，使用便利［8］。

2.1.3 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊，采用反應(yīng)速度較快的US－100超聲波元件，采用電平觸發(fā)方式給trig 端持續(xù)10us以上的高電平，統(tǒng)計echo 端所返回超聲波信號的時間，進而計算得到距離。

2.1.4 溫度濕度模塊

溫度濕度模塊采用DHT11 來采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性很高，而且在長期使用的場景具有優(yōu)勢，該模塊包含一個感濕元件和一個感溫元件，外部為4 針封裝，串行的方式傳輸數(shù)據(jù)，工作時需要上拉電阻，是一種經(jīng)濟實用的測溫測濕元件［9－10］。

2.1.5 GNSS 定位模塊

GNSS 定位模塊采用北斗＋GPS ANTENNA 元件，工作頻率在1575～1561Mhz，典型增益38dbB，直流3～5V 供電［11］。

2.1.6 供電模塊供電模塊，暫時采用USB 口供電，在后期采用太陽能電池板提供動力。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 云平臺管理端

云平臺管理端由垃圾桶滿載率可視化、設(shè)備管理以及垃圾車運營管理3 部分組成。

（1）垃圾桶滿載率可視化。通過云平臺連接智能小旭，將智能小旭獲得的溫度、濕度、分貝、滿溢情況整理儲存并顯示，通過BC20 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊對垃圾箱進行實時的監(jiān)管，通過可視化界面可以清楚的了解垃圾箱的滿溢、傾斜等異常情況，云平臺再根據(jù)出現(xiàn)的情況及時的給出清運方案。

（2）垃圾車運營管理。通過車載定位裝置實時獲得車輛的位置信息，在可視化界面上可以看到車輛的移動軌跡，并根據(jù)垃圾箱的滿溢情況等規(guī)劃出垃圾車的行駛路線。管理人員可以遠程監(jiān)督環(huán)衛(wèi)工人的工作情況，根據(jù)車輛的移動情況可以判斷出人員缺勤與否、行駛路線正確與否、清運的效率等情況，這些可視化的數(shù)據(jù)更加便于管理人員對環(huán)衛(wèi)人員進行績效考核，提高環(huán)衛(wèi)工作的效率，同時，路線的可視化也便于垃圾車的及時調(diào)度。

（3）設(shè)備管理。在線查看智能小旭的在線率、故障率等信息，有效的進行設(shè)備的維修保障服務(wù)。設(shè)備管理中有關(guān)數(shù)據(jù)管理如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)管理功能模塊Fig.4 Data management function module

2.2.2 環(huán)衛(wèi)人員手機小程序

小程序主要有2 部分組成垃圾筒滿載量的顯示預(yù)警和環(huán)衛(wèi)工人的自動化監(jiān)督。

（1）垃圾筒滿載量的顯示預(yù)警，將垃圾箱，垃圾車清運路線，垃圾中轉(zhuǎn)站，垃圾產(chǎn)生量等數(shù)據(jù)可視化。實現(xiàn)垃圾桶箱內(nèi)垃圾高度、溫濕度、異味等數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺的物模型存儲，再將物模型數(shù)據(jù)下發(fā)，便于了解各區(qū)域垃圾桶信息現(xiàn)狀，掌握各區(qū)域垃圾桶信息量，實現(xiàn)環(huán)衛(wèi)數(shù)字化管理。

（2）環(huán)衛(wèi)工人的自動化監(jiān)督，通過小程序?qū)崿F(xiàn)環(huán)衛(wèi)工人的保潔作業(yè)規(guī)范化、數(shù)據(jù)化，從而達到管理環(huán)衛(wèi)工人調(diào)度及時，遠程管理，其中調(diào)度管理如圖5所示。

圖5 收運調(diào)度管理模塊Fig.5 Collection and transportation scheduling management module

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于智能小旭的垃圾箱的設(shè)計模型，如圖6 所示。該裝置易于安裝維護。

圖6 垃圾箱的設(shè)計模型Fig.6 Design model of dustbin

圖7～圖9為云平臺管理端，采用了側(cè)邊功能欄的選擇，主界面為垃圾箱數(shù)據(jù)可視化界面，包含了垃圾量增長趨勢圖、各個區(qū)域垃圾量情況等基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計圖；設(shè)備管理界面包含了設(shè)備在線離線情況、設(shè)備損壞情況、設(shè)備位置等關(guān)于智能小旭設(shè)備的詳細情況；垃圾車大數(shù)據(jù)界面包含了垃圾車的實時位置顯示、相應(yīng)垃圾車的路線顯示等。

圖7 垃圾箱數(shù)據(jù)可視化界面Fig.7 Data visualization interface of dustbin

圖8 設(shè)備管理界面Fig.8 Equipment management interface

圖9 垃圾車大數(shù)據(jù)界面Fig.9 Big data interface of garbage truck

小程序界面采用綠色、藍色、白色的組合，其中又以藍色為主，使得界面簡潔易于閱讀，如圖10 所示。通過MQTT 協(xié)議云平臺連接，實現(xiàn)對垃圾桶的數(shù)據(jù)實時獲取。垃圾箱內(nèi)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆破脚_，小程序再通過request 請求，云平臺post 服務(wù)將數(shù)據(jù)下發(fā)到小程序，用戶可以在小程序界面看到垃圾箱內(nèi)檢測到的數(shù)據(jù)。用戶也可以通過小程序查詢垃圾的各個季度的垃圾量和垃圾分類情況的可視化數(shù)據(jù)。

圖10 小程序界面Fig.10 Applet interface

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)云的垃圾箱預(yù)警及清運系統(tǒng)，具有實用與先進兼顧原則，實用是前提，先進是錦上添花。在解決當(dāng)前城市生活垃圾清運系統(tǒng)中存在的問題時，要尋求實用與先進的結(jié)合點；在一定的經(jīng)濟可承受的范圍內(nèi)，追求系統(tǒng)的最好運作；同時實現(xiàn)了系統(tǒng)投入使用后的易維護性；達到資源高度利用，在系統(tǒng)搭建中必須充分利用已有的資源，最大限度的降低成本、不做無用功。這是本文中系統(tǒng)建設(shè)的特點，也是難點。本系統(tǒng)具有可擴展性，城市規(guī)模、垃圾產(chǎn)量與分組均處于動態(tài)變化中。在對收運系統(tǒng)信息化建設(shè)中，不僅針對眼前問題，也要從長計議，考慮未來發(fā)展所需，制訂可執(zhí)行的長遠計劃。在系統(tǒng)建設(shè)初期，在滿足當(dāng)前功能需要的基礎(chǔ)上，留出一定數(shù)量的接口，當(dāng)外界環(huán)境或系統(tǒng)中要素發(fā)生改變時，能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)中進行擴充、完善，滿足未來各時期的功能需求。