基于物聯網的山川景區垃圾回收系統設計

劉 紅, 劉默晗, 許仁杰, 劉雅寧

(上海電機學院 電子信息學院, 上海201306)

由于山路崎嶇,大部分山川景區的垃圾大都由挑山工人運輸,此種運輸方式不僅大大增加了景區的垃圾回收成本,還占用了有限的登山道路資源。并且,在登山道上來往運輸給游客和挑山工的登山活動帶來了一定的安全隱患。此外,廢棄物的回收還面臨廢棄物隨機性大、回收設施設計不合理、管理不當等問題,進一步加大了景區的運行壓力[1]。

現如今,物聯網是一個非常先進、綜合性的系統,是下一個萬億級產業,將極大地推動社會的進步和發展[2]。國家加快推進新基建建設,優化公共服務設施,提倡綠色環保文明可持續的發展理念。基于以上良好的政策環境,本系統設計了一套有關山川景區垃圾回收引導系統,提供積分獎勵方式,鼓勵游客參與廢棄物回收的工作,減少景區的回收物流壓力。

雖然現在市面上有很多垃圾分類引導性的回收設備,但是還沒有專門針對山川景區復雜環境的引導性垃圾回收系統。中華民族作為禮儀之邦,有引以為豪的好山好水,因此,倡導文明旅游更有必要[3]。引導游客分擔垃圾回收的任務,養成良好的習慣勢在必行。

1 系統方案設計

本山川景區垃圾回收引導系統主要分為山上、山下兩部分,設計了APP終端和云端服務器分別實現不同的功能,如圖1和圖2所示。山上設備是對游客收集的垃圾進行第一次稱重,期間如果垃圾的質量發生了變化,可就近選擇山上設備重新稱重校驗。山上設備是分布式管理,遍布山間各處,其主要的計算和存儲任務是在服務器端完成[4]。山下設備將帶回的山上垃圾進行第二次稱重和校對,完成垃圾的回收。而手機APP是兩設備的橋梁,生成驗證碼用于任務結束時開啟山下設備的箱門。用戶系統使用流程圖,如圖3所示。

圖1 整體系統硬件架構

圖2 兩套分體設備的效果

圖3 用戶系統使用流程

為了方便推廣,將設備硬件成本進行限制,但是能達到相同的效果。可以以最小成本布設盡可能多的山上設備,方便游客使用。使用電阻應變式傳感器進行稱重檢測,完成對垃圾重量的校對;使用電磁吸盤控制柜門開關;同時供電問題方面可以使用交流電轉直流電,也可以太陽能板加電池的組合,方便無電覆蓋區域的用電問題。基礎網絡可以使用Wi-Fi或者是4G搭建,在無信號的地區,通信方案采用Wi-Fi中繼等低成本方式。

2 主要硬件和技術方案

2.1 圖像識別技術

(1)證件信息的識別和提取。系統采用了光學字符識別(Optical Character Recognition,OCR)技術對采集到的證件照片進行處理后提取出有效信息,OCR是通過檢測圖片的亮暗程度來確定有效內容,再運用字符識別方法將內容翻譯成字符的過程;本項目所設計的OCR系統具有拒識率低、誤識率低、識別速度快等優點,用戶界面的友好性和產品的穩定性都達到了較高的水平效果,可以達到實用的標準[5-6]。OCR身份證識別技術主要作為一種輔助輸入的手段,代替手工輸入,提高信息錄入效率,同時可以保證身份的真實性。

(2) 隨機亂碼圖片識別和信息提取。本系統不采用傳統的RFID識別方式,而是采用掃描亂碼圖片識別和驗證碼驗證的方式,也就是在站點的嵌入式系統端為使用者提供一個隨機生成的亂碼并顯示在屏幕上,使用者打開APP通過前置攝像頭拍取顯示屏上的亂碼,經過圖像處理,提取出圖片中的有效信息后,對亂碼的數據解算獲得一個6位數的驗證碼,該驗證碼供使用者在另一站點確認任務完成時使用(見圖4)。這樣提高了系統的安全性和可靠性。

圖4 識別文字界面

2.2 導入地圖數據和運動軌跡繪制

本系統將高德地圖的景區相關地圖信息導入到本地。高德地圖經過十幾年的積累,不僅是國內專業的地圖數據生產商,還具有最優秀的在線、離線地圖引擎,能同時覆蓋應用、云端服務、軟件及數據等產業全鏈條,是市場上唯一同時具備完整產品和數據能力的互聯網地圖企業[7]。其可以使路徑規劃和引導更加有專業保障;與此同時對使用者手機上的GPRS定位模塊的數據進行計算后可得到使用者所處的實時位置,并將數據定時傳回云端,以便管理員監控(見圖5)。當發生意外時,使用者之前的行走軌跡和所處位置將會對救援起到重要作用。

圖5 實現運動軌跡跟蹤

2.3 嵌入式端與云端服務器數據交互

該功能的實現采用了單片機通過外接ATKESP8266型號的Wi-Fi模塊連接路由器從而實現對服務器的連接,其內置TCP/IP協議棧,能夠實現串口與Wi-Fi之間的轉換[8],模塊外觀如圖6所示。

圖6 ATK-ESP8266外觀圖

為了滿足在無Wi-Fi區域的網絡請求,可更換華為ME909s-821a 4G模塊,模塊外觀如圖7所示。

圖7 華為ME909s-821a 4G模塊

云平臺接收來自嵌入式端發出的驗證碼等數據(見圖8),并在云平臺的驗證碼數據庫內找到相對應用戶的user_name和task_ID參數進行數據的捆綁和存儲。給驗證碼命名3種使用狀態:無效的(invalid)、已使用的(used)、有效的(available)。用戶在任務申領成功后,數據庫生成一條驗證碼數據,并命名狀態為available,任務完成后狀態改為used,但如果在有效期8 h過后任務仍未完成,狀態將改變為invalid。同時稱重數據單獨放在一個新的數據庫weight中,通過外鍵task_id與驗證碼數據庫聯系(見圖9)。認證任務均在云平臺上完成,降低對設備計算能力的要求。

圖8 驗證碼數據庫

圖9 稱重數據庫

2.4 手機終端與云端服務器數據交互

本系統在用戶端為APP內部操作,可以安裝于所有安卓手機,對于用戶的使用和安裝成本低,且用戶界面簡潔友好,易于被用戶接受。簡單美觀的UI和更有效地利用屏幕空間,使用戶的體驗最佳[9]。軟件對手機各模塊接口的調用更加簡單,有更好的可擴展性。

云平臺接收移動設備端發出數據,并在云平臺內找到相對應的數據庫進行存儲。如圖10所示,系統將用戶的注冊信息存放在users數據庫中。用戶積分獲得情況存放在score數據庫中,如圖11所示。積分采用累加的形式確保每一條積分獲得情況都有據可查。

圖10 用戶注冊信息數據庫

圖11 積分數據庫

管理員可以通過登陸網頁就可對使用者的個人信息以及當前和歷史的各項參數,包括任務記錄、任務進度、兌換記錄等進行查看,并且系統可以自動評估出使用者允許接受的任務等級。還設置了閾值預警,當任一參數達到閾值時,將產生提醒。可以有效保證使用者的安全和運輸任務的成功率。

2.5 站點物資質量檢測

此模塊通過HX711D芯片配合電阻應變式壓力傳感器完成對壓力信號的采集,其中電阻應變式傳感器根據檢測不同物體時的電壓模擬信號,將其傳輸至HX711D芯片,HX711D芯片完成壓力信號的AD轉換處理,并將數據傳輸至MCU。該模塊具有兩個與處理器連接的引腳,分別為一對VCC與GND引腳,以及數據發送接受引腳。

如圖12中的電阻應變式傳感器,有兩個應變片分別在傳感器的上下表面,每個應變片中包含了2個壓力電阻,一共有4個壓力電阻組成了全橋式電路。利用被測量作用下產生的機械變形,引起應變片的電阻值變化,反映出被測量的大小[10]。電阻應變式傳感器具有穩定性較好,精度和靈敏度較高,壽命較長,對環境的要求不太嚴格等優點,適合本項目的應用場景[11]。

圖12 電阻應變式傳感器示意圖

2.6 柜門磁吸開關控制

此模塊MCU通過控制繼電器的開關來控制箱門電磁開關的吸附與開啟,使用的是ELE-P20/15型的電磁吸盤,具有體積小、吸附力強、控制電路簡單的優點。

當MCU收到來自服務器端打開柜門的信號時,控制電磁吸盤打開箱門,當物品被取走后電磁開關重新通電,箱門關閉。

3 結 語

本文運用物聯網相關技術設計了山川景區垃圾回收系統,基本功能完善,讓游客承擔部分運輸廢棄物的任務,讓人們身體力行,可以減小目前山川風景區關于回收廢棄物這一問題的壓力,符合綠色環保文明發展的理念。后續的研究重點是把單向從山上往山下運輸垃圾升級為雙向物流系統,讓系統實現山下的貨物運輸到山上供給點。另外,垃圾分類的理念也要融入系統,方便景區后續對垃圾的回收管理,使景區垃圾處理成效和物流體系更加完善[12]。