物聯網技術在城市垃圾清運監管系統中的應用研究

馮向陽　岳松波　曾　曦　蘇厚勤

1(東華大學計算機科學與技術學院　上海 200051)2(上海陸杰電子科技有限公司　上海 201316)

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物聯網技術在城市垃圾清運監管系統中的應用研究

馮向陽1岳松波1曾曦2蘇厚勤1

1(東華大學計算機科學與技術學院上海 200051)2(上海陸杰電子科技有限公司上海 201316)

摘要大型城市垃圾清運監管和費用收入清算是一種綜合性技術集成應用系統，隨著城市規模不斷拓展這種應用需求顯得更為迫切。基于物聯網和計算機信息化管理應用技術，根據大型城市垃圾清運監管和費用清算的實際需求，設計和描述一種采用RFID射頻、無線通信和嵌入式系統等應用技術，結合B/S構架應用模式的城市垃圾運輸車輛智能監管系統的軟件構架，包括該系統的構架模式、功能分解和軟件模塊結構。實際應用表明，該系統運行可靠、安全、易修改，達到了設計預期目標。

關鍵詞垃圾清運物聯網車載稱重傳感器射頻識別通用分組無線服務地理信息系統監管系統

0引言

城市垃圾是指城市及鄉鎮居民在日常生活和其他活動中產生的廢棄物質，包括可回收物、大件垃圾、廚余垃圾、可堆肥垃圾、有毒有害垃圾、其他垃圾等。垃圾收集運輸環節作為連接垃圾產生和末端處理之間的重要環節，耗資大，操作過程復雜，已經成為當前城市垃圾處理過程中的薄弱環節[1]。目前，城市垃圾清運工作雖然取得了一定的進展，但仍存在很多問題，如缺少對垃圾運輸車輛的實時監控、缺少對垃圾源和垃圾流向的監控、監控覆蓋范圍小等。如何利用信息化手段，實現對城市垃圾運輸車輛的智能監管，對垃圾清運體系進行精細化管理，從而更高效地清運垃圾，越來越受到各級政府部門的重視和社會各界的關注。

目前大多數城市垃圾清運體系方面監管系統的設計和應用水平仍與理想的監管效果存在較大的差距。尚利堃[2]等人提出了基于地理信息系統GIS和物聯網IOT技術的多部門協同式餐廚垃圾管理系統。該系統使用GIS與物聯網技術，雖然實現了對餐飲部門餐廚垃圾清運環節的監控，但因其主要針對餐飲部門，對居民生活垃圾不具一般性。李祥[3]利用紅外感應技術采集垃圾信息，實現了對再生資源的分類收集、分類運輸、分類處理全程信息化監控與管理，但該系統側重于對垃圾產生源垃圾分類的監控，無法實現對垃圾清運環節的有效監控。

物聯網技術具有全面感知、實時傳遞物品信息、智能化控制等特點，運用到城市垃圾清運監管系統中，可以實現對垃圾運輸車輛、垃圾產生源和垃圾處理等信息的實時采集和監控，方便管理和控制。本文設計和開發的城市垃圾清運監管系統，采用了IOT、射頻識別RFID、Zigbee、通用分組無線服務GPRS和GIS等技術，實現對垃圾源頭垃圾分類、清運、垃圾運輸車輛運輸過程以及垃圾焚燒站點的全程監管。大大節約了監管成本，有效提高了城市垃圾的清運效率，在實際應用中取得了很好的效果。

1系統和相關技術概述

本文描述的城市垃圾清運監管系統，在數據采集端和數據無線傳輸方面充分采用了IOT的相關技術予以設計和實現。系統由嵌入式車載裝置、射頻識別電子標簽RFIDET(electronic tag of RFID)、射頻識別電子標簽讀寫器ETR/Wer(read and writer of RFIDET)、Zigbee、GPRS和計算機信息化管理等相關技術和研發的產品等組成。

物聯網的出現，使得智能化識別、定位、跟蹤、監控和信息化管理的實踐與開發成為電子商務第三次浪潮的一個重要應用標志[4]。

RFID是一種無線通信調制解調應用技術。該技術的應用，不需要在附著RFIDET標的物和ETR/Wer之間通過機械或光學接觸完成相關數據的讀寫。對于無源RFIET應用，RFIDET能夠直接把ETR/Wer發射的無線電信號通過調制解調方式完成RFIDET和ETR/Wer的相互認證、實現相關數據交換，從而完成對附著RFIDET標的物的識別和讀寫相關數據[5]。在本系統中，手持ETR/Wer與車載裝置的數據交互采用Zigbee技術及其協議完成。在車載裝置中設有數據采集單元、數據緩存單元，顯示單元和通信單元等模塊組成，能夠根據預設參數，采集手持ETR/Wer的識別數據、車載稱重傳感器的數據和把數據緩存單元中的最新數據通過GPRS技術發送到智能監管系統的后臺管理系統。

GPRS技術是歐洲電信協會GSM系統中有關分組數據所規定的標準。GPRS充分利用現有的無線網絡，具有資源利用率高、始終在線、傳輸速率高、資費合理等優點。在物聯網環境下，通常需要使用無線網絡進行數據傳輸。

GIS是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機信息系統。本智能監管系統通過獲取車載裝置的經緯度位置信息，顯示其在地圖上的位置。目前有許多開源的Web地圖提供GIS服務，如本智能監管系統使用的百度地圖。垃圾運輸車輛上安裝的嵌入式車載裝置，除采集車載垃圾動態稱重量數據和存儲相關數據外，還具有采集和交互ETR/Wer相關數據的能力，會通過GPRS技術定期發送車載裝置的狀態數據和所采集的相關數據信息給后臺管理系統。后臺管理系統接收到這些數據后，能夠獲取車載裝置的經緯度位置數據，然后調用百度地圖實時定位車輛信息。

物聯網技術能夠有效解決城市發展中遇到的問題。對于城市中龐大的感知信息，通過充分運用RFIDET、ETR/Wer、車載稱重傳感器、嵌入式車載裝置、Zigbee和GPRS通信技術手段等感測、采集、整合和分析城市垃圾運輸車運輸輛和處理過程中的各項關鍵信息。有效地將各種技術及其應用集中于一個系統，支持相關OLTP、OLAP、BI和輔助決策的有效應用，從而對民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種需求做出更科學、更智能化的響應[6,7]。

2系統總體設計

2.1系統實現目標

利用信息技術對城市垃圾的源頭清運、垃圾運輸車輛的運輸過程和垃圾焚燒站點實現數字信息化全程監管，能夠有效提高垃圾清運的監管效果和合理分攤清運費用。系統需實現的目標包括：① 實現對車隊、街道、作業點等信息的數據采集和管理。② 實現對RFIDET、手持ETR/Wer、嵌入式車載裝置的應用管理，包括RFIDET、手持ETR/Wer和車載裝置的初始化、注冊登記、安全認證模塊SAM(security authentication module)和車載裝置與車輛的綁定、解除綁定和更改綁定等應用管理。③ 實現對垃圾運輸車輛清運交易的監控，詳細采集和記錄清運開始時間、結束時間、開始載重量、運輸過程中載重量動態變化、結束載重量、作業點地址、作業人員等信息。采用GPRS技術把車載裝置獲取和緩存的數據信息按預設參數要求實時傳輸給后臺管理系統。對垃圾運輸車輛進行實時定位，跟蹤垃圾運輸車輛運行軌跡、實時顯示垃圾運輸車輛位置信息以及車輛運行狀態和當前載重等信息，支持車輛路線定義，支持車輛調配。④ 實現對交易數據的報表查詢，提供系統交易詳細信息和聚合信息，為環保部門的運輸處理費用合理分配和輔助決策提供充分、有效的科學依據。

城市垃圾清運監管系統的總體應用目標是實現環衛部門以及車隊管理人員對垃圾運輸車輛清運交易的實時監控、費用分攤、統計報表和輔助決策等應用功能。

2.2系統應用功能

根據系統應用需求和欲實現的總體應用目標，本智能監管系統的用戶主要包括：系統管理員、車隊(運輸公司)、政府部門(市環衛局、區環衛局)和街道(垃圾源頭)。其中系統管理員具有最高權限，可以做任何操作，包括用戶管理、數據管理、系統管理等；車隊用戶有權限查看車輛的監控信息和車輛清運交易的報表以及管理與自己相關的數據；政府部門有權限查看車輛監控信息以及車輛清運交易報表；街道用戶有權限查看其所在街道的垃圾清運報表。圖1為該系統后臺管理主要功能模塊的分解視圖。

圖1　系統后臺管理主要功能模塊分解視圖

整個系統主要由下述十三個功能模塊組成，各模塊的具體功能概述如下：

1) 系統管理模塊SYS，提供系統關鍵日志、配置信息、系統日常作業、系統備份、數據清理、系統后臺控制等方面的管理功能。

2) 設備管理模塊EMM，對所有垃圾箱房和小壓站的RFIDET進行登記管理，同時提供車載裝置的管理，如設備ID初始化、車載裝置與車輛的綁定等。

3) 安全管理模塊SEC，提供對數據的加密處理功能，如CA(Certificate Authority)秘鑰管理、設備秘鑰管理、設備認證管理、消息文件簽名加密、消息文件解密等。

4) 數據通信模塊DCM，由兩個功能子模塊組成，分別支持zigbee和GPRS協議。

5) 設備通信模塊ECM，負責后臺管理系統與設備之間的連接管理、FTP管理以及消息隊列的存儲和轉發等。

6) 數據采集處理模塊DCP，從ECM獲取數據，負責交易數據和狀態數據的解析和入庫、數據離線傳輸、不可丟失數據的自動檢查和恢復等。

7) 數據管理模塊DMM，由三個功能子模塊組成。

8) 基礎數據管理模塊SDM，負責管理系統基礎數據，如用戶、車隊車輛、街道小區、垃圾房小壓站等基礎數據。

9) 參數管理模塊CDM，為系統運作提供一系列版本化的可靠參數，并對各參數的創建、分發、激活、實施進行控制等。

10) 數據庫管理模塊DBM，負責與數據庫相關的業務操作功能，如數據庫備份、恢復、歸檔、日志清理、監控等。

11) 車輛監控模塊SUP，提供對垃圾運輸車輛的狀態信息、運行數據、GIS地理位置信息服務等功能。通過車輛車載裝置傳輸的經緯度信息，調用GIS接口，在地圖上實時顯示車輛的位置與狀態信息。

12) 報表功能模塊REP，提供數據報表服務，如車輛裝載量統計日報、車輛裝載量統計月報、車輛裝載量統計年報、車輛環比清運月報表、車輛同比清運月報表等。

13) 用戶界面模塊WEB，調用SDM、SUP、REP、CDM、DBM、SYS等功能模塊，為用戶提供可視化服務等功能。

2.3系統的構架模式

軟件系統的構架模式是部署、運行軟件系統的參考模型。它的設計與實現在很大程度上隱含了軟件系統的相關質量屬性，如可用性、性能、安全性、可修改性?？蓽y試性和易用性等[8]。設計與實現本系統的構架模式如圖2所示。

圖2　系統的構架模式視圖

系統的構架模式主要由兩層組成：

(1) 設備層，該層又可劃分為車載設備和后臺設備兩部分。

? 車載設備VEM。它指安裝在車輛上的嵌入式車載稱重和信息采集裝置。垃圾采集源包括垃圾房、小壓站和放水點等。車載設備的應用功能是通過傳感器自動采集車輛載重數據和車輛位置等相關信息，并與后臺管理系統進行數據交互。車載設備包含數據存儲、通信單元和采集單元等嵌入式模塊。采集單元主要負責接收傳感器傳遞的稱重數據。通信單元具有兩方面技術背景的通信傳輸能力：① 基于Zigbee協議與手持ETR/Wer交互數據，采集ETR/Wer認證和讀入RFIDET的相關數據；② 根據預設的通信傳輸參數，把采集和緩存在數據存儲單元的最新數據封裝成GPRS分組消息包發送給后臺管理系統。數據存儲主要負責存儲稱重和狀態信息，可以用于回溯和要求二次發送相關數據。

? 后臺設備。該設備安裝在后臺管理系統機房，主要完成對RFIDET、ETR/Wer和車載設備等裝置的初始化工作。后臺初始化設備帶有標簽打印機，可打印RFIDET卡，用于標識垃圾桶型號、生產廠家、管理單位、垃圾種類等信息。每張RFIDET卡上均貼有RFIDET，RFIDET卡被安裝在各個垃圾房、焚燒站等作業點。操作人員通過手持ETR/Wer非接觸讀寫RFIDET，將RFIDET的相關識別信息傳送給車載裝置，經車載裝置通過GPRS網絡將信息傳送到后臺管理系統。

(2) 后臺管理系統層主要由一系列服務器、工作站和Web客戶端等組成，用于提供對設備層的監控、管理和數據采集等功能，并把采集到的數據以界面和報表的形式顯示給最終用戶。其中：① 數據備份服務器用于提供整個系統的數據備份方案，包括系統、數據庫和文件等級別的備份。數據備份服務器還用于控制外部存儲設備，例如磁帶機的寫入寫出等。② 前置通信服務器用于對前端數據進行采集和處理。③ 對外通信服務器用于對外部系統數據進行采集和處理。④ 數據庫服務器用于整個系統的數據庫存儲管理。⑤ 系統操作工作站用于C/S模式下的系統操作。⑥ CA證書中心用于對整個系統安全密鑰進行管理以及證書的頒發。⑦ 監控工作站對C/S模式下的系統的運行狀態實行監控。⑧ 網絡管理工作站對網絡的運行狀態進行監管，并可監控各服務器的運行情況，如CPU、內存狀態等。⑨ 網絡客戶群通過Internet網絡接入，提供網絡上的客戶端操作和訪問等功能。

2.4數據接口

整個系統主要分為設備層與系統的后臺管理層。后臺管理系統和車載設備層之間的實時數據交互采用基于TCP/IP協議的GPRS通信方式實現。交互數據包括：交易數據、車載設備狀態數據和控制數據。后臺管理系統層和后臺設備層之間的非實時數據傳輸基于FTP協議實現，主要包括參數數據等。車載設備層主要負責交易數據上傳和車載設備狀態數據上傳，后臺管理系統層負責發送控制命令和參數數據。后臺管理層與車載設備層之間交互數據的接口類型如圖3所示。

圖3　后臺管理層與車載設備層之間交互數據類型示意圖

2.5軟件結構

整個后臺管理系統基于B/S的構架模式實現，應用軟件系統采用模塊化設計，每個模塊具有特定應用功能的子系統組成。同時，本系統還是一個基于SOA的系統，采用了面向服務的體系結構。各個模塊都可作為單獨的服務部署在不同的服務器上，模塊之間通過接口相互調用。從而降低了系統的耦合度，增加了系統的靈活性。同時，由于各模塊采用分布式部署，可以很容易的構建服務器集群，大大提升了后臺管理系統的故障應急和負載平衡能力。后臺管理系統的軟件模塊結構視圖如圖4所示。

圖4　后臺管理系統軟件模塊的結構視圖

按照邏輯劃分，后臺管理系統可分為以下幾層：

? 通信傳輸層：主要通過ECM模塊來實現，負責與設備和外部系統進行通信。ECM和與SEC、DCP和SUP等通過接口相連接。SEC主要負責對請求連接的設備進行校驗。ECM有一個消息分發的映射，通過這個映射關系，程序將相應消息分發給相應模塊進行處理。其中，DCP主要負責接收處理交易數據，SUP負責接收處理狀態數據。

? 業務處理層：主要通過模塊SEC、SYS、SUP和DCP等來實現。業務層被嵌套在各個子模塊中間，用于提供一些業務服務等功能。其中，SEC主要提供秘鑰管理、設備連接驗證等功能的接口；SYS主要提供系統的一些運行信息接口，供其他模塊調用；SUP模塊主要提供設備實時狀態信息接口；DCP模塊通過調用ECM接口向設備推送命令消息，同時提供接口供ECM調用。

? 數據持久層：主要通過模塊DBM、CDM和SDM來實現。其中，DBM模塊安裝在數據庫服務器上，負責數據庫的管理、備份、恢復等功能，同時提供接口供其他模塊調用；CDM模塊通過調用ECM模塊的接口向設備下發參數； SDM模塊調用SEC模塊接口，用于生成設備秘鑰，同時調用DBM接口將IC卡、設備等初始化信息寫入數據庫。

? 表示層：指工作站和Web客戶端的前端展示。表現層的實現模塊包括REP(報表)、EMM(C/S界面)和WEB(Web界面)等。其中，REP模塊主要調用DBM模塊接口，展示報表信息；EMM模塊主要調用SDM接口，用于展示IC卡、設備等初始化操作的界面；WEB是系統的主界面，通過調用REP、SUP、SDM、CDM、DBM、SYS等模塊接口，向用戶展示報表、設備狀態、初始化信息、參數信息、交易信息、系統信息等各類信息。

3應用示例

目前該系統已在上海市部分地區使用，并在實踐中取得了很好的效果。部分垃圾運載量環比統計數據如表1所示。用戶可通過該系統查看某車輛清運垃圾總量的環比增長幅度，這為實現垃圾減量化提供了參考依據。在此之前，要實現對垃圾清運重量的統計和對比，需要每天人工記錄載重量，然后再錄入EXCEL，到月底進行統計對比，不僅工作量大、效率低而且數據也并不精確。通過該系統可將每天每一筆作業數據實時記錄下來，并自動生成每月的環比增長報表，不僅節約了時間提高了效率，準確率也大大提高。

表1　車輛環比清運報表

圖5展示的是車輛監控模塊的功能。該模塊采用GIS技術，可以實時刷新車輛的最新位置，當用戶點擊車輛時，可以查看到車輛的當前位置、載重量以及設備狀態等信息。該模塊還可以顯示該車輛的歷史軌跡，用戶可查看到車輛的運輸行程。此前的垃圾運輸車輛無法進行實時監控，一旦車輛中途出現故障也難以快速應對。該系統可實現車輛招援功能，即在車輛出現不能按照計劃完成任務時，車載設備可發送招援請求，由后臺管理系統操作人員發送指令，臨時指派其他車輛繼續完成任務。實踐證明，該系統能夠實現對垃圾運輸車輛的實時監控，大大節約了監管成本。

圖5　車輛位置信息

4結語

本文針對城市垃圾的清運監管和費用清算等應用目標，基于物聯網應用技術，描述了一種采用RFID射頻技術、無線通信技術、嵌入式系統技術和混合C/S、B/S構架模式的城市垃圾運輸車輛智能監管系統的軟件構架設計[8]。涉及該系統軟件構架的構架模式、功能劃分和軟件結構，并給出部份應用實例。

該系統被部署運行后的實際證明，系統運行可靠、安全、易修改，達到了設計目標，為城市垃圾清運監管和費用分攤清算取得顯著的社會和經濟效益。

參考文獻

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[8] Len Bass,Rick Kazman,Paul Clements.軟件構架實踐[M].車立紅,譯.清華大學出版社,2004.

ON APPLICATION OF IOT TECHNOLOGY IN URBAN WASTE COLLECTION SUPERVISION SYSTEM

Feng Xiangyang1Yue Songbo1Zeng Xi2Su Houqin1

1(SchoolofComputerScienceandTechnology,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)2(ShanghaiLujieElectronicScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201316,China)

AbstractSupervision of waste collection and liquidation of fee income in metropolises is an integrated application system of comprehensive technologies, such application requirement becomes more pressing along with the constant expansion of city scale. Based on Internet of Things and applied technology of computer informatisation management, and according to the practical requirement of metropolises waste collection supervision and fee liquidation, we designed and described a software architecture of intelligent supervision system for urban garbage transport vehicles, which employs the application technologies such as RFID frequency, wireless communication and embedded system, and combines B/S architecture application pattern, including the architecture pattern, the function decomposition and software module structure. Practical application indicated that the system operated reliably, safely and was easy to be modified, and achieved the expected target of design.

KeywordsWaste collectionInternet of ThingsVehicular weighing sensorRFIDGPRSGISSupervision system

收稿日期：2014-11-17。馮向陽，副教授，主研領域：智能分析系統，計算機應用技術。岳松波，碩士生。曾曦，高工。蘇厚勤，教授級高工。

中圖分類號TP3

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.05.023