基于互聯網＋的農村廁所信息化管理系統研究

呂明亮,高素坤,張博雅,蔣嚴冰,徐學東,2*

1.山東農業大學 水利土木工程學院,山東 泰安 271000

2.山東省村鎮住宅工程技術研究中心,山東 泰安 271000

3.北京大學軟件與微電子學院,北京 100871

基于互聯網＋的農村廁所信息化管理系統研究

呂明亮1,高素坤1,張博雅1,蔣嚴冰3,徐學東1,2*

1.山東農業大學 水利土木工程學院,山東 泰安 271000

2.山東省村鎮住宅工程技術研究中心,山東 泰安 271000

3.北京大學軟件與微電子學院,北京 100871

本系統是結合農村戶用廁所和鄉村公用廁所的特點以及農村環境的特殊性，運用互聯網技術和信息化手段對農村廁所進行高效、便捷的管理，實現糞便的循環利用，提升并改善農村的廁所環境。結合山東農村地區的地理環境特點，對農村廁所環境、管理、運行方式進行了研究與探討，并進行初步試點實施，按照當地村民的意愿進行安裝管理，使農村廁所管理更加高效、便捷，取得了較好的效果。

農村戶用廁所;鄉村公用廁所;互聯網;信息化;管理

廁所是人們生活的必備設施，是衡量社會發展和國家精神文明的重要標志[1]，農村廁所因為農村環境的特殊性，位置分散，不便統一管理。所以，要想管理好農村廁所，必須打破傳統戶廁散亂的格局，將廁所關聯起來，統一管理。隨著互聯網技術、云技術的發展，信息化技術的使用范圍在不斷擴大，信息化的高速發展為農村廁所的信息化管理奠定了基礎。運用信息化技術，可以高效便捷的管理廁所，同時可以降低廁所的運行管理成本。

1 農村廁所信息化發展現狀

1.1 信息化的概念與特點

信息化（Informatization）是指培養、發展以計算機為主的智能化工具為代表的新生產力，并使之造福于社會的歷史過程[2]。信息化最先于上世紀60年代，由一位日本學者提出這一概念，而后被譯成英文傳播到西方，到了上世紀70年代，西方社會才開始普遍使用“信息社會”和“信息化”的概念。

信息化的生產工具與傳統生產工具相比較，信息化的生產工具打破了原來孤立分散的生產格局，建立一個具有龐大規模的有組織的信息網絡體系[3]。信息化建立在現代通信、網絡、數據庫技術基礎之上，對所研究對象各要素匯總，然后在數據庫對數據進行分析處理，該技術的使用，可以大大的提高各種行為的工作效率。

1.2 我國農村廁所管理問題與需求

農村信息化是整個國民經濟和社會信息化的重要方面，是以信息媒體技術裝備農村相關領域，使信息資源在農村得以充分開發、應用，加快農村經濟發展和社會進步的過程[4]。廁所信息化是農村信息化的重要組成部分，隨著新農村建設的推進，農村信息化發展狀況良好，但在農村廁所管理方面遠遠不夠。

改革開放以來，經濟快速發展，中國人民幾乎享受到了優質生活的方方面面，唯獨缺少優雅的廁所文化。城市公共廁所“第五空間”不僅僅是具備“解決內急”的單一功能，還有wifi、ATM機、充電樁、免費急救藥箱，甚至還配備了管理人員的休息間和淋浴間，實現了智能化管理[5]。農村廁所分布散亂，衛生狀況差，缺乏管理人員。2015年7月，習近平在延邊考察時提出隨著農業現代化步伐加快，新農村建設也要不斷推進，要來個“廁所革命”，讓農村群眾用上衛生的廁所[6]。隨著“廁所革命”的推進，廁改的數量越來越大，隨之而來的管理問題越來越突出，解決廁所“重建設，輕管理”問題成為“廁所革命”的關鍵。在農村生態化建設中，廁所改造處于核心地位，廁所改革一要有政府的引導，二要加強技術的指導，兩方面缺一不可。“廁所革命”的成功在于管理[7]。21世紀是高度信息化的時代，軟件才是“廁所革命”成功的關鍵。運用互聯網技術、信息化手段高效管理農村廁所，推動“廁所革命”又快又好的發展。

2 基于互聯網＋農村廁所信息化管理系統

2.1 系統組成

系統由云服務子系統、農戶用戶終端子系統、管理員移動手機端管理子系統和村域微服務器子系統組成（圖1、圖2），其中①、②為信息的兩種傳輸途徑。基于互聯網＋農村廁所信息化管理系統綜合采用目前最為先進的物聯網、云計算、傳感器網絡、移動計算等技術，實現了農村廁所的有效管理與服務。

圖1 系統原理Fig.1 System principle

圖2 系統結構Fig.2 System structure diagram

2.2 系統原理

在特定區域內以自然村為單位，建立村級管理平臺及數據庫。將每家每戶廁所運行的具體需求(如糞筐已滿、緊急求救等)編程設置代碼，把需求代碼收入數據庫，平臺可通過接收到的數據代碼，轉換為實際需求信息。每村都會配備戶用的用戶終端，管理員手機和村域微服務器，另外鎮域會有鎮域管理服務器。用戶終端用以提供需求信息，管理員手機接收需求信息，鎮域及村域服務器用以監督檢查整個渠道的完善運行，云服務器對管理地區的信息進行存儲、管理和統計。

當農戶發現自己家廁所糞筐已滿或者有其他請求時，可以直接按動本系統用戶終端面板上的相應按鍵，將信息發送給村域微服務器，村域微服務器再將信息上傳到云端，村管理員通過云服務器將用戶需求下載到指定手機上，這樣就完成了信息的傳輸。同時，也可以通過紅外感應器，自動監測糞筐是否滿，并自動發送給村域微服務器。此外，管理員在成功接收并解決用戶請求時，點擊手機上的“已處理”按鈕，此時管理員手機和村域微服務器上此請求會由“待處理”轉為“已處理”。村委管理人員可以通過村域微服務器來監察管理員是否及時處理掉用戶請求。

2.3 農村廁所信息采集、傳輸與處理

智能化工具，必須具備信息獲取、傳輸、處理、再生、利用等一系列功能[8]。在基于互聯網＋農村廁所信息化管理系統下，農村廁所信息的傳輸主要包括信息的采集、傳輸與處理等關鍵步驟。

2.3.1 信息的采集 在糞筐上緣安裝一對激光發射接收傳感器，糞筐滿時自動報警，信號通過Internet協議傳到云服務器，云服務器再將其下發到管理員手機和村域微服務器。這種方式不需要人為介入，信號自動采集，方便，快捷，增強了信號采集的即時性和準確性。但是，隨著安裝的傳感器和動作單元的數量增多，這種信息采集的方式成本較高。此外，戶用終端采用低成本嵌入式系統，農戶發現糞筐滿或者有其他需求時，可以手動觸發終端按鈕。這種方式即時性差，但是成本低。

2.3.2 信息的傳輸 農戶手動觸發終端按鍵時，用戶終端和村域微服務器之間通過無線透明串口技術將信息傳遞，透明串口技術不需要網絡，簡單，快捷，穩定。在實際的運行當中，存在多個用戶同時發送請求的可能，通訊模式采用時分復用+沖突檢測技術，防止多個信息同時傳輸時干擾，在很大程度上保證了信息發送的可靠性。當管理范圍較大時，采用中繼技術，在村域內建立相應數量中繼站，保證信號的有效傳輸。

2.3.3 信息的處理 村域微服務器采用樹莓派2微小計算機，配以目前最先進的win10 IOT core微操作系統，系統時刻接受本村內所有的農戶用戶終端發送的各種信號，然后將信號進行處理準換為具體的消息，并通過3G/4G網絡將消息通過WebAPI技術傳遞到云服務系統存儲起來。

2.4 基于互聯網＋的農村廁所信息化管理系統具體安裝與部署

2.4.1 村域微服務器的安裝方式 村域微服務器的安裝方式主要有一戶一臺和多戶合用一臺的方式。

2.4.1.1 一戶一臺的方式 該方式為每家農戶安裝一臺微服務器，可以為該農戶提供豐富的傳感器和動作單元接入資源，便于農戶接入各種各樣的傳感器和動作單元，全方位自動監測戶廁。同時，如果微服務器出現故障，只影響到一戶。但安裝與運行費用較高，適合比較富裕的村鎮選用。

2.4.1.2 多戶和用一臺的方式 該方式中，多家農戶合用一臺微服務器，每戶安裝與運行費用降低，但每戶可以安裝的傳感器和動作單元的數量減少，還需要進行綜合布線，若微服務器出現故障，會影響到多戶。

2.4.2 Internet接入的方式 Internet接入的方式主要分為3G/4G流量接入和寬帶接入。

2.4.2.1 寬帶接入 寬帶接入可以每戶寬帶單獨接入，每戶單獨開設部署一個Internet賬號并部署網線。除了用于本系統的Internet接入外，還可供農戶進行Internet訪問。此外，也可多戶和全村合用寬帶，多戶合用一個Internet賬號，并通過無線路由器發送覆蓋特定區域的Wifi信號。除了用于本系統的Internet接入外，還可供農戶進行Internet訪問。

2.4.2.2 3G/4G流量接入 3G/4G流量接入，使用運營商提供的3G/4G信號，每戶一個賬號和設備，可以在需要向云端傳遞數據時打開，不需要時關閉，節約流量。除了用于本系統的Internet接入外，還可供農戶進行Internet訪問。該方式需要每戶都為流量付費，成本較高，且村莊周邊通訊信號穩定性欠佳。另外，也可以為每個微服務器配置一個3G/4G接入設備，可以在需要向云端傳遞數據時打開，不需要時關閉，節約流量，只能用于本系統的Internet接入。

3 應用案例

新泰市樓德鎮是全國城鎮化示范鎮，在全鎮生態化建設的進程中，農村廁所改造是一項重要任務。目前，部分村莊已完成了農村廁所的試點改造，而改造的形式主要是組合式生態衛生旱廁。組合式生態衛生旱廁是利用糞尿不同的的生物特性，對糞尿進行單獨收集并無害化處理，實現糞尿等廢棄物的資源化循環利用，提升并改善了農村的生活環境[9]。組合式生態衛生旱廁實現尿便分離，具有成本低、安裝簡單、生態環保、糞便易于收集等特點，非常適合用于信息化管理。

需求分析，以樓德鎮自然村為單位建立數據庫，在試點村內選擇地點較為集中的100個廁所，廁所分為戶廁和村莊公廁，考慮到試點建設的成本，確定全村共用一臺村域微服務器，Internet接入的方式為全村合用寬帶。首先，統計村莊需管理廁所的所有信息，包括姓名、位置、聯系方式、所用用戶終端編碼等。然后，走入農戶，結合當地農戶的生活習性以及組合式生態衛生旱廁的運行特點，調查廁所在使用的過程中出現的需求，包括糞筐滿、微生物菌液缺少、秸稈粉末缺少、緊急呼救等。將所有的信息和農戶的需求統一編碼，存到數據庫中管理。

信息傳輸，在每家農戶的廁所中安裝一個用戶終端設備，當廁所中糞筐滿需要清理或有其他需求時，農戶按下戶用終端上對應的按鈕，通過事先設置好的傳輸協議，運用無線透明串口技術發送給村委的村域微服務器。村域微服務器接收到用戶終端的信號，再將信號上傳到云服務器上，管理員再經云服務器下載用戶需求。對于村莊公共廁所，因為不屬于任何一家，所以安裝紅外感應探頭，信號自動發送，而且當運行過程中有部件損壞或者運行異常時，也可以將信號發出，信號直接經網絡上傳到云服務器，然后再傳到村域微服務器和管理員手機。

信息應用，村莊管理員下載用戶需求后，按照用戶提供的位置信息和需求信息及時解決廁所問題，解決之后點擊已處理，這時經過網絡刷新，未處理的信息變為已處理。村委管理員通過村域微服務器查看、統計每戶的報警數據，及時查看和監督廁所需求信息是否得到及時解決。整個系統將各個村域微服務器連在一起，各自然村的數據，可通過網絡上傳至鄉鎮相關部門，或鄉鎮調取各村的報警、處理結果信息數據。

基于互聯網＋的農村廁所信息化管理系統運用互聯網技術和信息化手段，高效便捷的管理農村廁所，提高了農村廁所的管理效率，并改善了戶廁衛生現狀，同時該體系起到了監督作用（圖3）。

圖3 實物圖Fig.3 Physical map

4 結語

農村信息化是建設社會主義新農村的重要部分，對于促進農村建設、農村發展具有重大作用。互聯網時代的到來，運用信息化管理廁所是農村廁所管理的大勢所趨，基于互聯網＋的農村廁所信息化管理系統具有靈活性、便捷性和易操作性，大大提高了農村廁所管理的效率，改善了農村廁所環境。

[1]陳良玉,陳愛鋒.中國農村信息化建設現狀及發展方向研究[J].中國農業科技導報,2005(2):67-71

[2]張 博,李思經.我國農村信息化建設現狀及對策建議[J].中國農業科技導報,2010(3):62-66

[3]張宇陽.世界廁所日“第五空間”亮相北京[J].城市管理與科技,2015(6):87

[4]徐學東.廁所革命,讓農民過上更精致的生活[J].中國農村科技,2016(7):30-33

[5]高素坤,呂明亮,姚久星,等.組合式生態衛生旱廁在農村地區的應用[J].山東農業大學學報:自然科學版),2016,47(5):736-739

[6]單玉麗.臺灣農業的信息化管理及啟示[J].農業經濟問題,2010(1):18-22

[7]王其鈞.中國傳統廁所研究[J].南方建筑,2010(6):43-46

[8]信息化功能.http://www.docin.com/p-675881991.html

[9]傅 敏.信息時代的建筑設計——論信息時代建筑設計的信息化[D].武漢:華中科技大學,2003

Research on Rural Toilet Information Management System Based on Internet+

LV Ming-liang1,GAO Su-kun1,ZHANG Bo-ya1,JIANG Yan-bing3,XU Xue-dong1,2*
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China
2.Shandong Province Engineering Technology Research Center of Rural Housing,Tai’an271018,China
3.School of Software and Microelectronics/Peking University,Beijing100871,China

This system is combined with the special characteristics of rural household toilets,rural public toilets and rural environment,using of internet technology and information technology to make efficient and convenient management of rural toilets,to realize the recycling of excrement and urine,to promote and improve the toilet environment in rural areas.Combined with the characteristics of the rural environment in rural areas of Shandong Province,the rural toilet environment,management,operation methods were studied and discussed,and the preliminary pilot implementation was made,in accordance with the wishes of the local villagers,the installation management has made the management of rural toilets more efficient and convenient,and achieved better results.

Rural household toilet;rural public toilets;internet+

TU18

A

1000-2324(2017)05-0745-04

2017-04-10

2017-04-29

“十二五”國家科技支撐計劃課題:低成本村鎮基礎設施與環境建設技術研究與示范(2014BAL04B05)

呂明亮(1992-),男,在讀碩士,研究方向為水利水電工程經濟與項目管理.E-mail:807553833@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:xdxu2007@163.com