王鴻菲，杜洪波，朱良雙，王旭，黎詩(shī)

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(wèn)題也越來(lái)越突出。目前城市里現(xiàn)有的垃圾收運(yùn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)法滿(mǎn)足城市需求。同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G 技術(shù)的不斷發(fā)展，使得人們對(duì)垃圾箱、垃圾車(chē)、回收站等各個(gè)環(huán)節(jié)的信息采集能做到實(shí)時(shí)獲取、實(shí)時(shí)分析［1］?；谖锫?lián)云的垃圾箱預(yù)警及清運(yùn)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(yùn)效率、削弱對(duì)環(huán)境的污染、減小對(duì)住戶(hù)的負(fù)效應(yīng)影響、降低收運(yùn)成本，實(shí)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(hù)成本遠(yuǎn)高于普通垃圾箱。本文開(kāi)發(fā)的智能小旭，投放成本低，安裝維護(hù)方便，較同類(lèi)產(chǎn)品具有一定優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，提出一種從垃圾箱滿(mǎn)溢監(jiān)測(cè)到云平臺(tái)可視化實(shí)時(shí)管理，再由云平臺(tái)進(jìn)行任務(wù)派單的清運(yùn)系統(tǒng)，可以及時(shí)、快速、準(zhǔn)確、高效地處理垃圾桶滿(mǎn)溢問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化信息化的收運(yùn)體系。

1 物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)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(kuò)展和延伸，將傳感器技術(shù)等運(yùn)用在物體與物體之間，實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸、儲(chǔ)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(guó)制造2025 的不斷推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展迎來(lái)了新的機(jī)遇。越來(lái)越多的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了跨界組合，通過(guò)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(guó)就利用射頻技術(shù)來(lái)辨識(shí)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(lái)發(fā)展的黃金時(shí)期，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在城市垃圾的收運(yùn)當(dāng)中也取得了一定的效果［3］。中國(guó)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(shí)現(xiàn)了再生資源的智能采集、收運(yùn)和處理，做到了對(duì)再生資源的整個(gè)流程的實(shí)時(shí)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(yùn)用在城市生活垃圾收集、運(yùn)輸、處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)，搭建了生活垃圾處理信息公共服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)垃圾收運(yùn)作業(yè)的全過(guò)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(yùn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分類(lèi)圖Fig.1 Classification chart of key technologies of Internet of things garbage collection and transportation system

雖然中國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)垃圾收運(yùn)這一領(lǐng)域有一些應(yīng)用，但也存在很多的不足和缺點(diǎn)。例如：歷年來(lái)的關(guān)于垃圾的大數(shù)據(jù)很缺乏，導(dǎo)致無(wú)法做出有效的決策；其次，關(guān)于垃圾收運(yùn)整個(gè)系統(tǒng)流程的開(kāi)發(fā)較少，垃圾處理系統(tǒng)集成度不高，都是關(guān)于某一個(gè)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(jì)

基于物聯(lián)云的垃圾箱預(yù)警及清運(yùn)系統(tǒng)包含了垃圾從產(chǎn)生、收運(yùn)到處理整個(gè)流程的實(shí)現(xiàn)，以基于智能小旭的垃圾箱、云平臺(tái)管理端以及環(huán)衛(wèi)人員手機(jī)小程序?yàn)橹饕墓δ軐?shí)現(xiàn)手段，智能垃圾箱為媒介的高效、實(shí)時(shí)的環(huán)衛(wèi)行業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，建立了高度信息化的垃圾收運(yùn)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(jì)

本系統(tǒng)的總體功能是對(duì)垃圾箱的溫濕度、地理位置、滿(mǎn)溢情況進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)通過(guò)NB－IoT 模組BC20 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊將獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)［4］，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控各區(qū)域垃圾箱的滿(mǎn)溢等情況，其中硬件模塊設(shè)計(jì)如圖3 所示。為管理平臺(tái)的收運(yùn)規(guī)劃提供決策數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)垃圾收運(yùn)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(hào)，來(lái)保證在完成基本任務(wù)條件下較長(zhǎng)的使用時(shí)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(wú)線(xiàn)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(guò)MQTT 協(xié)議注冊(cè)到開(kāi)放的云平臺(tái)，并將單片機(jī)上的負(fù)載所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫宋锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)，數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程穩(wěn)定，使用便利［8］。

2.1.3 超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)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(jì)echo 端所返回超聲波信號(hào)的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算得到距離。

2.1.4 溫度濕度模塊

溫度濕度模塊采用DHT11 來(lái)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(zhǎng)期使用的場(chǎng)景具有優(yōu)勢(shì)，該模塊包含一個(gè)感濕元件和一個(gè)感溫元件，外部為4 針?lè)庋b，串行的方式傳輸數(shù)據(jù)，工作時(shí)需要上拉電阻，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的測(cè)溫測(cè)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(shí)采用USB 口供電，在后期采用太陽(yáng)能電池板提供動(dòng)力。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 云平臺(tái)管理端

云平臺(tái)管理端由垃圾桶滿(mǎn)載率可視化、設(shè)備管理以及垃圾車(chē)運(yùn)營(yíng)管理3 部分組成。

（1）垃圾桶滿(mǎn)載率可視化。通過(guò)云平臺(tái)連接智能小旭，將智能小旭獲得的溫度、濕度、分貝、滿(mǎn)溢情況整理儲(chǔ)存并顯示，通過(guò)BC20 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊對(duì)垃圾箱進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)管，通過(guò)可視化界面可以清楚的了解垃圾箱的滿(mǎn)溢、傾斜等異常情況，云平臺(tái)再根據(jù)出現(xiàn)的情況及時(shí)的給出清運(yùn)方案。

（2）垃圾車(chē)運(yùn)營(yíng)管理。通過(guò)車(chē)載定位裝置實(shí)時(shí)獲得車(chē)輛的位置信息，在可視化界面上可以看到車(chē)輛的移動(dòng)軌跡，并根據(jù)垃圾箱的滿(mǎn)溢情況等規(guī)劃出垃圾車(chē)的行駛路線(xiàn)。管理人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)督環(huán)衛(wèi)工人的工作情況，根據(jù)車(chē)輛的移動(dòng)情況可以判斷出人員缺勤與否、行駛路線(xiàn)正確與否、清運(yùn)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(duì)環(huán)衛(wèi)人員進(jìn)行績(jī)效考核，提高環(huán)衛(wèi)工作的效率，同時(shí)，路線(xiàn)的可視化也便于垃圾車(chē)的及時(shí)調(diào)度。

（3）設(shè)備管理。在線(xiàn)查看智能小旭的在線(xiàn)率、故障率等信息，有效的進(jìn)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(jī)小程序

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

（1）垃圾筒滿(mǎn)載量的顯示預(yù)警，將垃圾箱，垃圾車(chē)清運(yùn)路線(xiàn)，垃圾中轉(zhuǎn)站，垃圾產(chǎn)生量等數(shù)據(jù)可視化。實(shí)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(tái)的物模型存儲(chǔ)，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(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)數(shù)字化管理。

（2）環(huán)衛(wèi)工人的自動(dòng)化監(jiān)督，通過(guò)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(dá)到管理環(huán)衛(wèi)工人調(diào)度及時(shí)，遠(yuǎn)程管理，其中調(diào)度管理如圖5所示。

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

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

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

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

圖7～圖9為云平臺(tái)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(zhǎng)趨勢(shì)圖、各個(gè)區(qū)域垃圾量情況等基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖；設(shè)備管理界面包含了設(shè)備在線(xiàn)離線(xiàn)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(xì)情況；垃圾車(chē)大數(shù)據(jù)界面包含了垃圾車(chē)的實(shí)時(shí)位置顯示、相應(yīng)垃圾車(chē)的路線(xiàn)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(chē)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(lán)色、白色的組合，其中又以藍(lán)色為主，使得界面簡(jiǎn)潔易于閱讀，如圖10 所示。通過(guò)MQTT 協(xié)議云平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取。垃圾箱內(nèi)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，小程序再通過(guò)request 請(qǐng)求，云平臺(tái)post 服務(wù)將數(shù)據(jù)下發(fā)到小程序，用戶(hù)可以在小程序界面看到垃圾箱內(nèi)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。用戶(hù)也可以通過(guò)小程序查詢(xún)垃圾的各個(gè)季度的垃圾量和垃圾分類(lèi)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(yǔ)

基于物聯(lián)云的垃圾箱預(yù)警及清運(yùn)系統(tǒng)，具有實(shí)用與先進(jìn)兼顧原則，實(shí)用是前提，先進(jìn)是錦上添花。在解決當(dāng)前城市生活垃圾清運(yùn)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題時(shí)，要尋求實(shí)用與先進(jìn)的結(jié)合點(diǎn)；在一定的經(jīng)濟(jì)可承受的范圍內(nèi)，追求系統(tǒng)的最好運(yùn)作；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)投入使用后的易維護(hù)性；達(dá)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(wú)用功。這是本文中系統(tǒng)建設(shè)的特點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，城市規(guī)模、垃圾產(chǎn)量與分組均處于動(dòng)態(tài)變化中。在對(duì)收運(yùn)系統(tǒng)信息化建設(shè)中，不僅針對(duì)眼前問(wèn)題，也要從長(zhǎng)計(jì)議，考慮未來(lái)發(fā)展所需，制訂可執(zhí)行的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃。在系統(tǒng)建設(shè)初期，在滿(mǎn)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(shí)，能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)充、完善，滿(mǎn)足未來(lái)各時(shí)期的功能需求。