基于雙模高精度定位的智能環(huán)衛(wèi)終端設(shè)備研究

張鵬飛,李 亮,潘一航,顧一暢

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智慧交通學(xué)院,浙江 杭州 311112）

0 引言

目前，我國(guó)農(nóng)村垃圾處理管理粗放甚至無(wú)人管理，引起社會(huì)“垃圾靠風(fēng)刮、污水靠蒸發(fā)”的調(diào)侃，從“垃圾圍城”到“垃圾圍村”絕不僅僅是一字之差，它已經(jīng)成為影響農(nóng)村人居環(huán)境改善的緊迫問(wèn)題。雖然政策的不斷優(yōu)化使農(nóng)村地區(qū)垃圾處理工作穩(wěn)步推進(jìn)，但面臨的困境仍舊不少。因此，通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化傳統(tǒng)垃圾箱，結(jié)合定位技術(shù)研發(fā)智能環(huán)衛(wèi)終端，實(shí)現(xiàn)垃圾回收智能調(diào)度，逐漸成為研究人員的關(guān)注焦點(diǎn)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，智能環(huán)衛(wèi)終端的使用已經(jīng)較為普遍，廣泛分布于城市或鄉(xiāng)村等多個(gè)場(chǎng)景，最近幾年在國(guó)內(nèi)外也誕生了一系列卓有成效的研究成果。王曙光等提出了一款內(nèi)部由識(shí)別攝像頭、重量傳感器、電機(jī)等部件組成的Transhbot 垃圾桶[1]。當(dāng)人靠近垃圾桶時(shí)，垃圾桶接收到感應(yīng)，自動(dòng)打開(kāi)垃圾桶蓋。將垃圾扔進(jìn)桶內(nèi)，桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。Bin-e 公司研發(fā)了一款基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別的智能垃圾桶[2]。使用者需要在Bin-e 垃圾桶前先進(jìn)行垃圾種類(lèi)的掃描、投遞艙口打開(kāi)，將垃圾放入對(duì)應(yīng)的垃圾桶內(nèi)。Jia Gangyong 等提出了一種放在室內(nèi)的回收裝置，有多個(gè)投放口和收集箱，需要在顯示屏進(jìn)行選擇操作后，自動(dòng)感應(yīng)開(kāi)關(guān)投放口會(huì)根據(jù)所需要投放的垃圾類(lèi)型開(kāi)放相應(yīng)種類(lèi)的投放口，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式的投放垃圾[3]。祝朝坤等提出了一種智能垃圾分類(lèi)房，該發(fā)明包含瓶、罐類(lèi)收集箱，將垃圾分類(lèi)細(xì)化，最右側(cè)的有害垃圾收集處根據(jù)不同種類(lèi)的垃圾，設(shè)置不同形狀的投放口，且所有投放口周?chē)加行涯康念伾珮?biāo)記，能夠直觀(guān)地區(qū)分出來(lái)[4]。李優(yōu)、穆林平提出了一種基于目標(biāo)檢測(cè)的智能垃圾分類(lèi)垃圾桶，其中運(yùn)用了遷移學(xué)習(xí)的垃圾分類(lèi)模型，節(jié)省了大量的人力和時(shí)間[5]。陳歡、薛濤等人設(shè)計(jì)了一款具備強(qiáng)大功能的垃圾分類(lèi)應(yīng)用軟件，具有分類(lèi)指導(dǎo)、文本檢索、圖像識(shí)別等功能[6]。王莉、何牧天等人提出使用YOLOv5s 網(wǎng)絡(luò)模型作為垃圾檢測(cè)和分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)垃圾的檢測(cè)分類(lèi)[7]，極具創(chuàng)新性。為準(zhǔn)確識(shí)別垃圾，洪樹(shù)亮等人提出深度學(xué)習(xí)技術(shù)的圖像分類(lèi)模型[8]，也取得了較好的實(shí)際效果。

以上都是針對(duì)智能環(huán)衛(wèi)終端設(shè)計(jì)的研究報(bào)道，但主要聚焦于終端的簡(jiǎn)單算法設(shè)計(jì)，或者存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)陋、調(diào)度不規(guī)范等問(wèn)題，對(duì)于智能環(huán)衛(wèi)終端的準(zhǔn)確定位算法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較少。基于此，該文研發(fā)了一款雙模高精度定位的智能環(huán)衛(wèi)終端設(shè)備，以及一套完整的定位監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，將基于模態(tài)識(shí)別的邊緣計(jì)算算法融入MCU（Micro Controller Unit）底層，通過(guò)模組獲取定位數(shù)據(jù)并對(duì)有用數(shù)據(jù)進(jìn)行融合及傳輸，預(yù)計(jì)能夠在云端顯示誤差為1 m 的定位信息。該產(chǎn)品適用國(guó)內(nèi)大部分鄉(xiāng)村的生活垃圾收運(yùn)體制的整治工作，具有智能化自動(dòng)壓縮、站點(diǎn)精準(zhǔn)定位監(jiān)測(cè)、可監(jiān)測(cè)容積動(dòng)態(tài)變化、提前預(yù)警等功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能環(huán)衛(wèi)終端內(nèi)置傳感器和GNSS（Global Navigation Satellite System）通訊系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)垃圾桶的容量和重量，當(dāng)垃圾桶即將滿(mǎn)或者重量將要達(dá)標(biāo)時(shí)，會(huì)自動(dòng)向相關(guān)人員發(fā)送提醒，工作人員可以根據(jù)垃圾桶的定位技術(shù)處理垃圾，避免溢滿(mǎn)和不及時(shí)清理造成環(huán)境污染或影響居民生活等問(wèn)題。其具備動(dòng)態(tài)壓縮功能，可通過(guò)壓縮垃圾的方式，有效利用垃圾桶空間，減少垃圾更換的次數(shù)。通過(guò)與云端服務(wù)器的連接，智能環(huán)衛(wèi)終端可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)或電腦等終端設(shè)備查看垃圾桶的實(shí)時(shí)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，以及進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和管理。設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，技術(shù)路線(xiàn)圖如圖2 所示。該智能環(huán)衛(wèi)終端設(shè)備可以監(jiān)測(cè)垃圾桶的填充狀態(tài)，如果垃圾填充量在90%~100%將自動(dòng)進(jìn)行壓縮，垃圾達(dá)到壓縮完后仍然超過(guò)90%，可以及時(shí)發(fā)送信息給相關(guān)人員，提高垃圾桶的使用空間。

圖1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)框圖

圖2 基于雙模高精度定位的智能環(huán)衛(wèi)終端設(shè)備技術(shù)路線(xiàn)圖

該文所設(shè)計(jì)的智能環(huán)衛(wèi)終端具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)1：多功能集成，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

智能環(huán)衛(wèi)終端設(shè)備內(nèi)部的處理單元通過(guò)紅外傳感器和重量傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便根據(jù)垃圾的種類(lèi)和數(shù)量進(jìn)行分類(lèi)和處理。

優(yōu)點(diǎn)2：雙模高精度定位技術(shù)，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)衛(wèi)站點(diǎn)垃圾溢出趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)。

智能環(huán)衛(wèi)終端設(shè)備利用多種傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、GPS 技術(shù)等，結(jié)合實(shí)時(shí)校正算法，采集和分析位置數(shù)據(jù)，并與預(yù)期位置進(jìn)行比較。

優(yōu)點(diǎn)3：自動(dòng)感知壓縮，及時(shí)預(yù)警提示。

智能環(huán)衛(wèi)終端結(jié)合傳感器系統(tǒng)和控制單元，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的垃圾高度和垃圾箱的負(fù)荷狀態(tài)達(dá)桶內(nèi)容量90%時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)上傳至壓縮裝置，通過(guò)電機(jī)或液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，垃圾能夠被有效壓縮，減少了溢出風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少了垃圾帶來(lái)的氣味和環(huán)境污染。

優(yōu)點(diǎn)4：平臺(tái)遠(yuǎn)程調(diào)度，提升運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)出提醒、進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度等功能，做到程序閉環(huán)、實(shí)時(shí)響應(yīng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

該雙模高精度定位環(huán)保智能終端系統(tǒng)由定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、超聲波測(cè)距、24 V 無(wú)刷電機(jī)、毫米級(jí)雷達(dá)等組成。整體方案是通過(guò)LD2410B 毫米級(jí)雷達(dá)來(lái)檢測(cè)有無(wú)村民來(lái)丟垃圾，使用ESP32CAM 攝像模塊對(duì)丟的垃圾進(jìn)行拍照，采用HX711 稱(chēng)重傳感器（上限70 kg）來(lái)計(jì)算垃圾的重量。與此同時(shí)，使用DYP-A13 超聲波測(cè)距模組計(jì)量垃圾桶內(nèi)剩余容量，并傳輸給ESP32-S3 主控芯片，當(dāng)容量超過(guò)一定程度，主控板發(fā)出指令使電機(jī)啟動(dòng)。電機(jī)采用24 V無(wú)刷電機(jī)，具有制動(dòng)特性好、轉(zhuǎn)矩性能優(yōu)異、傳動(dòng)效率高及響應(yīng)快的特點(diǎn)。電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)推桿往下壓，從而實(shí)現(xiàn)壓縮垃圾的效果。此外該系統(tǒng)還具備紫外線(xiàn)和照明的功能，將采用MOS 管開(kāi)關(guān)來(lái)控制紫外線(xiàn)燈帶和照明燈帶實(shí)現(xiàn)消殺和照明功能。雙模GNSS 模塊獲取垃圾箱的定位信息，并傳輸給主控板，最后由SWD 串口將采集到的信息上傳到云平臺(tái)進(jìn)行處理分析。原理圖如圖3 所示。

圖3 產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

該文軟件設(shè)計(jì)基于產(chǎn)品工作流程。村民將垃圾按照分類(lèi)放置投擲進(jìn)環(huán)衛(wèi)終端，智能環(huán)衛(wèi)終端會(huì)根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)處理。當(dāng)居民靠近時(shí)，智能環(huán)衛(wèi)終端會(huì)通過(guò)毫米波雷達(dá)感知并打開(kāi)垃圾箱；垃圾投擲進(jìn)后，垃圾箱會(huì)作出相應(yīng)判斷并收集數(shù)據(jù)上傳至云端。工人可以通過(guò)軟件了解垃圾桶的實(shí)時(shí)情況。同時(shí)垃圾箱還具有風(fēng)道除臭和紫外線(xiàn)消毒功能，保證不會(huì)污染環(huán)境。軟件設(shè)計(jì)方案架構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

圖4 軟件設(shè)計(jì)方案架構(gòu)圖

產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)主要包含以下內(nèi)容：

（1）該項(xiàng)目需要運(yùn)用高精度定位技術(shù)，以及傳感器等技術(shù)準(zhǔn)確上傳環(huán)衛(wèi)站點(diǎn)垃圾溢出趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)，并且通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)反饋信息。

（2）動(dòng)態(tài)路線(xiàn)規(guī)劃：終端利用定位技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垃圾投放點(diǎn)的數(shù)量和垃圾容量，結(jié)合智能算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)路線(xiàn)規(guī)劃。這樣可以減少終端之間的空載行駛，優(yōu)化垃圾收集車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)效率。

（3）故障監(jiān)測(cè)和維護(hù)：定位技術(shù)可以幫助監(jiān)測(cè)智能垃圾處理終端的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況。當(dāng)終端出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)定位信息快速定位并派遣維修人員，及時(shí)處理故障，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析：通過(guò)定位技術(shù)，智能垃圾處理終端可以收集各個(gè)投放點(diǎn)的數(shù)據(jù)，包括容量利用率、投放頻率等，利用這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。這有助于優(yōu)化垃圾收集策略、合理布局垃圾處理設(shè)備，并提供科學(xué)依據(jù)支持城市垃圾管理決策。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

智能環(huán)衛(wèi)終端的外觀(guān)考慮簡(jiǎn)潔、美觀(guān)、耐用的原則，符合環(huán)保的理念，以適應(yīng)農(nóng)村及城市各種環(huán)境。垃圾桶內(nèi)部則會(huì)設(shè)計(jì)不同的儲(chǔ)存區(qū)域，用于分類(lèi)垃圾的存放。每個(gè)區(qū)域通過(guò)顏色、標(biāo)識(shí)、大小或形狀等區(qū)分，方便用戶(hù)準(zhǔn)確投放不同類(lèi)型的垃圾。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙如圖5 所示。

圖5 智能環(huán)衛(wèi)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖（mm）

5 產(chǎn)品實(shí)物及測(cè)試

經(jīng)過(guò)前期理論研究、軟硬件設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該文團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了智能環(huán)衛(wèi)終端的產(chǎn)品模型，并就毫米波雷達(dá)測(cè)距、定位精度、稱(chēng)重、電動(dòng)推桿行程等指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，實(shí)物展示如圖6 所示。測(cè)試項(xiàng)及結(jié)論見(jiàn)表1。結(jié)論表明，該研究在具有一定技術(shù)創(chuàng)新性的前提下，同時(shí)擁有優(yōu)越的性能指標(biāo)，值得推廣。

表1 測(cè)試項(xiàng)及測(cè)試結(jié)論

圖6 產(chǎn)品實(shí)物外觀(guān)

6 結(jié)語(yǔ)

“雙模高精度的定位環(huán)衛(wèi)智能終端設(shè)備”是一種應(yīng)對(duì)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中垃圾處理問(wèn)題的創(chuàng)新解決方案，是一款智能環(huán)衛(wèi)終端，可以有效地解決鄉(xiāng)村環(huán)衛(wèi)站點(diǎn)垃圾收集運(yùn)轉(zhuǎn)能力不足、運(yùn)轉(zhuǎn)不及時(shí)、填埋污染土地等問(wèn)題。智能環(huán)衛(wèi)終端的推廣和應(yīng)用需要政府、企業(yè)和居民共同努力，以期實(shí)現(xiàn)垃圾處理的現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展。