基于大數(shù)據(jù)的垃圾統(tǒng)計(jì)和應(yīng)用系統(tǒng)

馬長(zhǎng)江　張耕源　劉書垚　張佳欣　楊揚(yáng)

摘要：大數(shù)據(jù)垃圾統(tǒng)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)采集模塊以智能垃圾箱為基本單元，主要采用STM32系列芯片作為主控制器，利用壓力和聲音傳感器采集和存儲(chǔ)垃圾的重量、數(shù)量、種類等信息。數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到垃圾車上的接收終端設(shè)備，最后返回處理中心。數(shù)據(jù)處理基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成信息的分析和處理，并通過(guò)方言分析、關(guān)鍵詞匹配、數(shù)據(jù)分類和數(shù)學(xué)建模等方式提供給用戶。

關(guān)鍵詞：智能垃圾箱;STM32;ZigBee;數(shù)據(jù)采集;大數(shù)據(jù);云計(jì)算

引言

近年來(lái)，中國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而，由于環(huán)保基礎(chǔ)設(shè)施的嚴(yán)重滯后，城市垃圾對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的污染越來(lái)越嚴(yán)重。目前，中國(guó)每年產(chǎn)生近10億噸城市垃圾，年均增長(zhǎng)率約10%。截至2020年底，中國(guó)共產(chǎn)生城市固體廢物17899萬(wàn)噸，清除城市固體廢物17677萬(wàn)噸，處理城市固體廢物16681萬(wàn)噸。因此，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們嘗試提出一個(gè)基于大數(shù)據(jù)的垃圾統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用系統(tǒng)，探索垃圾中蘊(yùn)含的信息價(jià)值。

1 系統(tǒng)層次

大數(shù)據(jù)的垃圾統(tǒng)計(jì)和應(yīng)用系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）感知層以智能垃圾箱為基本單位，利用壓力、聲音傳感器采集垃圾重量、數(shù)量（一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)某種垃圾被投放的次數(shù)）和種類信息并存儲(chǔ)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層利用ZigBee技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到垃圾運(yùn)輸車上的終端接收設(shè)備，最后回傳給處理中心。

（3）應(yīng)用層主要依賴大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過(guò)方言分析、關(guān)鍵詞匹配、數(shù)據(jù)分類和數(shù)學(xué)建模等處理，完成對(duì)信息的分析加工并提供給不同的使用者。

2 系統(tǒng)各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 智能垃圾箱與數(shù)據(jù)采集

智能垃圾箱主要由傳感、通信、處理、存儲(chǔ)四個(gè)模塊組成。感測(cè)模塊包括壓力感測(cè)和聲音感測(cè)。垃圾箱頂部有四塊尺寸為50 mm×50 mm 5 V、200 Ma的太陽(yáng)能電池板，用于為控制系統(tǒng)供電。頂部四邊傾斜一定角度，有利于電池組在雨天接受陽(yáng)光和排水。基本部分是控制系統(tǒng)的主體。垃圾桶微處理器芯片采用高性能STM32單片機(jī)，內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，可實(shí)現(xiàn)聲音采集和存儲(chǔ)[4]。通信模塊選用ZigBee技術(shù)。備用電流為微安，傳輸電流為毫安，最大通信距離為100m。它具有成本低、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。存儲(chǔ)介質(zhì)采用SD卡，具有價(jià)格低、不易失性的特點(diǎn)。

壓力開關(guān)采用踏板模式。當(dāng)人們將垃圾扔進(jìn)垃圾箱時(shí)，用腳觸發(fā)垃圾箱的壓力開關(guān)，啟動(dòng)處理系統(tǒng)。處理系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)聲音（用于識(shí)別廢物類型）。當(dāng)有聲音時(shí)，存儲(chǔ)聲音數(shù)據(jù)并打開垃圾箱蓋。扔完垃圾后，松開踏板，箱蓋會(huì)在重力作用下掉落。系統(tǒng)檢測(cè)并存儲(chǔ)丟棄垃圾的重量，然后重置控制開關(guān)，最后系統(tǒng)切換到睡眠狀態(tài)。在大數(shù)據(jù)垃圾統(tǒng)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)中，語(yǔ)音控制只是一個(gè)開關(guān)。真正打開垃圾箱蓋的能量來(lái)自人們的踏板。智能垃圾箱的三維模型。

2.2 數(shù)據(jù)通信

作為數(shù)據(jù)采集模塊的一部分，垃圾車上的數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)為硬件，可在工作期間安裝在垃圾車上。考慮到能源消耗，決定按需使用。當(dāng)即將達(dá)到目標(biāo)范圍時(shí)，駕駛員通過(guò)硬件上的開關(guān)發(fā)送信號(hào)。運(yùn)輸車輛有足夠的時(shí)間從進(jìn)入通信范圍到離開傳輸數(shù)據(jù)。在運(yùn)輸車輛到達(dá)之前，垃圾箱的單片機(jī)系統(tǒng)一直處于低能休眠狀態(tài)。垃圾箱與車載設(shè)備的具體通信過(guò)程如下：

（1）垃圾運(yùn)輸車在行進(jìn)至距離垃圾箱20 m左右時(shí)，發(fā)送廣播信號(hào)搜尋并激活附近設(shè)備。

（2）垃圾箱主系統(tǒng)接收到激活信號(hào)后立即被喚醒，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。

（3）車載設(shè)備的通信模塊與垃圾箱的通信模塊進(jìn)行一次握手，待握手成功后，形成穩(wěn)定的通信鏈路，兩者通過(guò)2.4 GHz的頻段通信。

（4）發(fā)送垃圾箱信息并接收到車載設(shè)備的確認(rèn)信號(hào)后，清空存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)，向車載設(shè)備發(fā)送斷開信號(hào)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。至此，垃圾箱與車載設(shè)備之間的信息交互過(guò)程結(jié)束。

2.3 數(shù)據(jù)處理

車載設(shè)備采集到相應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)后，返回出發(fā)地點(diǎn)上傳到網(wǎng)絡(luò)中心，網(wǎng)絡(luò)中心對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行云計(jì)算。聲音數(shù)據(jù)處理依賴于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)?shù)胤窖宰鳛闃?biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音樣本收集并存儲(chǔ)在當(dāng)?shù)胤窖詳?shù)據(jù)庫(kù)中。返回實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)，將其與標(biāo)準(zhǔn)聲音樣本進(jìn)行匹配，并選擇匹配度最高的標(biāo)準(zhǔn)樣本作為數(shù)據(jù)的最終結(jié)果。如果標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中待識(shí)別語(yǔ)音的匹配度低于設(shè)定的匹配下限，則將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌嗨贫茸罡叩姆窖詳?shù)據(jù)庫(kù)。如果匹配度仍然不符合標(biāo)準(zhǔn)，則重復(fù)上述步驟，直到找到符合要求的標(biāo)準(zhǔn)樣本或所有數(shù)據(jù)庫(kù)仍然無(wú)法識(shí)別，然后將其丟棄。

3 結(jié)語(yǔ)

基于垃圾箱收集和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不僅是物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新應(yīng)用，也是促進(jìn)城市智能化的重要手段。它涉及云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理、傳感器應(yīng)用等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用是推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的重要力量。我們提出的基于大數(shù)據(jù)的垃圾統(tǒng)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)于發(fā)展經(jīng)濟(jì)、關(guān)注民生具有一定的公益意義。但是，大數(shù)據(jù)垃圾統(tǒng)計(jì)及應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還需要更成熟的技術(shù)和更人性化的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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