基于物聯(lián)網(wǎng)的垃圾收集與調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

秦延福　姚俊紅　秦世玉　陳奇

摘要：隨著城市化進(jìn)程，人們生活水平的提高，城市中產(chǎn)生了越來越多的垃圾，城市垃圾桶布局不合理，清運(yùn)方式自動化程度低，給生活帶來了很多不便。本文章設(shè)計出一種智能多功能垃圾車，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將它連接到后端服務(wù)器，由服務(wù)器統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)路面清掃與移動垃圾桶收集。服務(wù)器將根據(jù)不同路段合理設(shè)計出智能多功能垃圾車的行駛路線，垃圾桶清理不及時，地面垃圾清理難的問題得到有效解決，減少了人力成本，降低垃圾桶的投放數(shù)量。

Abstract： With the development of urbanization and the improvement of people's living standards， more and more garbage is produced in cities. The unreasonable arrangement of the garbage cans and the low automation level of the cleaning and transportation mode bring much inconvenience to people's life. This paper designed a kind of intelligent multifunctional garbage truck connected to the back-end server via the IoT technology and uniformly dispatched by the server so as to clean roads and collect mobile garbage cans. The server would design the driving route of the intelligent multifunctional garbage truck reasonably according to different road areas. In that case， the failure of timely garbage cleaning and the difficulty of ground garbage cleaning could be effectively resolved， which would help reduce the labor cost and the number of garbage cans.

關(guān)鍵詞：垃圾收集;車輛調(diào)度;智慧城市;物聯(lián)網(wǎng)

Key words： garbagecollection;vehicle dispatch;smart city;Internet of Things

0? 引言

我國作為人口大國，每時每刻產(chǎn)生巨量垃圾，可對垃圾的清掃與回收我國與其它國家還有一定的差距。隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市每年產(chǎn)生的垃圾多達(dá)上億噸[1]，垃圾的收集與處理面臨巨大挑戰(zhàn)。道路垃圾桶對于維護(hù)城市環(huán)境衛(wèi)生和塑造城市形象起著很重要的作用。長期以來城市道路垃圾桶布局主要依據(jù)現(xiàn)有的城市規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境衛(wèi)生設(shè)施規(guī)劃規(guī)范，存在標(biāo)準(zhǔn)單一、操作上較為籠統(tǒng)的問題，對于不同城市功能區(qū)未制訂出差異化的標(biāo)準(zhǔn)[2]。

本文設(shè)計出一種智能多功能垃圾車，以智能多功能垃圾車為依托能很好的解決城市中垃圾堆積與清理不及時的問題，以物聯(lián)網(wǎng)為依托建設(shè)智慧城市，告別傳統(tǒng)的垃圾收集方式，提高自動化程度。智能多功能垃圾車將垃圾桶與清掃車的完美結(jié)合與垃圾桶移動收集。它使得垃圾收集更加方便，使垃圾桶的投放數(shù)量減少，環(huán)衛(wèi)工人不再需要定時清理，降低成本。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能多功能垃圾車由STM32單片機(jī)為主控制芯片，人體感應(yīng)模塊、定位模塊、激光雷達(dá)為主要組成部分。系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示，服務(wù)器用于設(shè)置垃圾車的行駛路線，可實現(xiàn)當(dāng)人走近垃圾桶時，桶蓋自動打開，投入垃圾后桶蓋自動關(guān)閉，清潔衛(wèi)生，避免異味傳到空中。等待人走后，它將繼續(xù)沿著設(shè)定的路線行駛。垃圾的重量或體積超過設(shè)定值時，信息將傳到服務(wù)器用于重新設(shè)定路線，服務(wù)器計算出到垃圾站點的最短路徑傳回單片機(jī)。

本設(shè)計將是建設(shè)智慧城市的重要一部分，解決城市垃圾收集問題提出了一種解決辦法，減少設(shè)置固定垃圾桶或不在設(shè)置固定垃圾桶，不會出現(xiàn)垃圾溢出垃圾桶而遲遲不能清掃運(yùn)走的問題，或垃圾長時間存放在垃圾桶出現(xiàn)異味，這都影響著城市環(huán)境，影響著居民生活質(zhì)量。

1.1 紅外感應(yīng)檢測

紅外感應(yīng)用于當(dāng)垃圾車在路線上行駛時，有人靠近來投垃圾，進(jìn)入了人體感應(yīng)模塊的檢測范圍，模塊將信號傳回STM32單片機(jī)，垃圾車將停下來等待人來投放垃圾，垃圾桶蓋旁邊有光電傳感器，人手放在上方時，桶蓋將自動打開。

1.2 行駛路徑設(shè)置

行駛路徑有服務(wù)器作為最高級來設(shè)置，基于物聯(lián)網(wǎng)，它將信息傳給單片機(jī)。每個垃圾投放位置也都將在地圖上標(biāo)記，作為加權(quán)項用于重新優(yōu)化垃圾車行駛路徑，單片機(jī)根據(jù)路線自主行駛。

2? 系統(tǒng)運(yùn)行與算法

2.1 單片機(jī)主程序

STM32單片機(jī)運(yùn)用keil 5軟件編程，程序流程框圖如圖2所示。GPS+北斗雙定位模塊將不間斷的將垃圾車位置信息上傳到服務(wù)器，人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，單片機(jī)執(zhí)行中斷停車，光電模塊檢測到垃圾在桶蓋上方時，單片機(jī)輸出PWM到舵機(jī)，使舵機(jī)轉(zhuǎn)動完成開蓋動作，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平，繼續(xù)按設(shè)定路線行駛。重量或體積傳感器檢測到超過設(shè)定值時，服務(wù)器將調(diào)用Dijkstra算法重新設(shè)置垃圾車的行駛路線，就近倒掉垃圾。

2.2 Dijkstra算法

Dijkstra算法是由計算機(jī)科學(xué)家Edsger W.Dijkstra在1956年提出的。Dijkstra算法使用了廣度優(yōu)先搜索解決賦權(quán)有向圖或者無向圖的單源最短路徑問題，算法最終得到一個最短路徑樹[3]，Djkstra算法用來尋找圖形中節(jié)點之間的最短路徑。算法將根據(jù)垃圾車所在位置，對垃圾投放位置進(jìn)行加權(quán)計算，對不同情況，既正常路線的設(shè)定與停靠最近的垃圾站等，計算出最優(yōu)路徑，對垃圾車進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度。

當(dāng)垃圾桶滿時服務(wù)器需要計算出到垃圾站的最短路徑。Dijkstra算法將根據(jù)每個垃圾站的位置作為節(jié)點，遍歷每個節(jié)點，假設(shè)節(jié)點分布如圖3所示。首先設(shè)置兩個集合——S、U集合，S集合記錄最短路徑的節(jié)點以及相關(guān)長度，U記錄未求出最短路徑的節(jié)點以及相關(guān)長度。選取F為垃圾車的位置，第一步：選取頂點F，S={F（0）}，U={A（3），E（5），D（8），B，（∞），C，（∞），D，（∞）}。第二步：選取頂點A，S={F，（0），A，（3）}，D={B，（9），E，（5），D，（8），C，（∞）}。第三步：選取頂點E，S={F，（0），A，（3），E，（5）}，D={B，（9），D，（8），C，（11）}。第四步：選取頂點D，S={F，（0），A，（3），E，（5），D，（8）}，D={B，（9），C，（11）}。第五步：選取頂點B，S={F，（0），A，（3），E，（5），D，（8），B，（9）}，D={C，（11）}。第六步：選取頂點C，S={F，（0），A，（3），E，（5），D，（8），B，（9），C，（11）}。依次遍歷完所有的節(jié)點，選取出最佳路徑。

3? 核心硬件選擇

3.1 主控制模塊

采用STM32F429單片機(jī)作為主控計算機(jī)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，分析控制，與服務(wù)器的連接，接受服務(wù)器的最高級控制。STM32F429是ST研發(fā)的高性能微控制器，主頻高，運(yùn)算能力強(qiáng);豐富的外設(shè)、強(qiáng)大的運(yùn)算能力和適宜的價格使得它脫穎而出成為最終選擇。運(yùn)用在數(shù)據(jù)的采集，傳輸與運(yùn)算中完成自主控制，相當(dāng)于垃圾車的“大腦”。

3.2 人體紅外感應(yīng)模塊

HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用LHI788探頭設(shè)計、靈敏度高、可靠性強(qiáng)，低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。主要是他反映速度快，有人靠近垃圾車時能很好的做出反映及時停車，感應(yīng)距離可調(diào)，可適用于人流密集程度不同的地方。

3.3 定位模塊

BH-ATGM332D是秉火設(shè)計的高性能、低功耗GPS+北斗雙模定位模塊。它采用中科微電子公司的ATGM332D-5N-31模組方案，可以通過串口向單片機(jī)系統(tǒng)和電腦輸出GPS及北斗定位信息，使用簡單方便。相較于其他模塊更新速率更快，使后端服務(wù)器掌握每個垃圾車的位置信息更精確。

4? 總結(jié)

智慧城市的建設(shè)離不開垃圾的快速收集處理，基于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，改變傳統(tǒng)的垃圾桶收集與人工清掃的方式。本文設(shè)計出一種新型垃圾收集處理車輛，智能多功能垃圾車將垃圾桶與清掃車結(jié)合，由后臺服務(wù)器統(tǒng)一管理，提高垃圾收集效率，減少人力成本，提升居民生活質(zhì)量提出了一種很好的解決辦法。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王晉.基于低頻浮動車數(shù)據(jù)的道路行駛時間估算與路徑優(yōu)化[D].長安大學(xué)，2018.