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何共建 熊兵 吴开云 贺佐强
摘 要： 城市环卫工作的智能化是智慧城市建设不可或缺的组成部分。设计开发了一款面向智慧城市的智能垃圾桶监管系统，该系统由智能垃圾桶、云数据中心、环卫工人APP和Web管理端组成。智能垃圾桶搭载温度、气味、超声波等传感器获取垃圾状态信息，云数据中心对智能垃圾桶内温度过高、垃圾发臭、垃圾累积过量等异常状态信息进行存储和分析，环卫工人APP及时将垃圾桶异常状态报告给环卫工人以便尽快处理，Web管理端为环卫管理决策提供参考意见。通过部署该系统，可有效监管垃圾桶工作状态，显著提高垃圾回收效率和环卫管理水平。
关键词： 智慧城市； 智能垃圾桶； 物联网； 云数据中心
中图分类号：TP393.1 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）06-76-05
Intelligent garbage can supervision system for smart city
He Gongjian， Xiong Bing， Wu Kaiyun， He Zuoqiang
（School of Computer & Communication Engineering， Changsha University of Science & Technology， Hunan， Changsha 410114， China）
Abstract： The intelligentization of urban sanitation work is an indispensable part of smart cities. This paper is thus motivated to design and develop an intelligent garbage can supervision system for smart city， which consists of intelligent garbage can， cloud data center， sanitation worker APP and Web management system. The intelligent trash can carries temperature， odor， ultrasonic and other sensors to get garbage status information. The cloud data center stores and analyzes abnormal status information of the intelligent garbage can， such as high temperature， stink of garbage， and excessive accumulated trash. The APP real-timely reports the abnormal status of the garbage can to sanitation workers for handling as soon as possible. The web management system provides reference for sanitation management decision-making. The deployment of this system can effectively supervise the working status of garbage can， and significantly improve the efficiency of garbage collection and the level of sanitation management.
Key words： smart city； intelligent garbage can； Internet of Things； cloud data center
0 引言
自1993年以來，智慧城市理念[1]在世界范围内悄然兴起。当前，许多国家都在积极开展智慧城市建设，致力于通过信息和通信技术手段感知、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对民生、环保、公共安全、城市服务、工商业等领域内的各种需求做出智能响应。而城市环卫管理工作的信息化和智能化是其中的一项重要内容。据新闻报道，我国近两年每天平均产生垃圾2万1023公吨，相当于约4541辆垃圾车的容量。大量的日常生活垃圾如果得不到及时清理，不仅影响市容，而且还易滋生各种细菌，产生氮、硫化物等有害气体，损害人体健康。
针对城市垃圾清理效果不佳的问题，目前已有很多国内外机构开展研究工作。在智慧城市概念中，城市智能垃圾桶[2]是最早研究的领域之一。早在2009年，Bigbelly公司就已制造了具有垃圾压缩和发电功能的智能垃圾桶，并且为垃圾桶安装WiFi 部件，使其具有网络热点功能，网速可达到每秒50-75兆。伦敦市政府携手一家设计公司共同推出过一款双面配有LCD显示屏的智能垃圾桶，每个智能垃圾桶都配有WiFi无线网络传输的功能，这样遍布伦敦的智能垃圾桶就成为城市的数据交换站。垃圾桶所需电能由顶部的太阳能电池板提供，当垃圾装满时，垃圾桶向卫生清理部门发送信息，通知环卫工人前来清理。这些智能垃圾桶还具有自动报警功能，为需要帮助的路人提供紧急报警服务，因而具有很好的时效性和公益性。在我国，珠海市云筒环保科技有限公司已经研发了一套成熟稳定的智能垃圾桶系统，垃圾桶可以利用太阳能压缩垃圾，使其容量是普通垃圾桶的6-10倍。同时，垃圾桶还装有智能传感模块。当垃圾桶即将填满时，自动发送信息到清洁工人的手机上。
上述研究在很大程度上展示了智能垃圾桶的实用价值，但并没有将垃圾桶接入网络，进而构建一个统一的城市垃圾桶监管系统，从而难以有效管理遍布城市各个角落的大量垃圾桶。为此，本文以物联网、云计算和大数据为技术基础，设计面向智慧城市的智能垃圾桶监管系统，通过各类传感器定时采集垃圾桶状态信息，进而发送到云数据中心进行存储和分析，最后通过手机APP与Web管理端，将分析结果分别呈现给环卫工人与环卫管理人员，为他们提供垃圾回收建议和管理决策参考，以期望提高环卫工作效率和质量水平，加快推进智慧城市的发展进程。
1 智慧城市垃圾桶监管系统
1.1 系统架构
智能垃圾桶监管系统分为感知层、数据层和应用层。其中，感知层由遍布城市各个角落的智能垃圾桶组成，桶内安装多个传感器，主要负责采集垃圾桶状态数据。数据层主要由云数据中心组成，实现垃圾桶状态数据的收集、存储与分析。应用层则包括环卫工人APP与Web管理端，主要负责将数据分析结果呈現给环卫管理人员和环卫工人。智能垃圾桶监管系统的整体系统架构如图1所示。
在感知层，智能垃圾桶内置多种传感器，如：人体红外传感器、温度传感器、超声波传感器、气味传感器等，采集人体感应状态、桶内外温度、桶内剩余容量、垃圾气味等信息，为整个监管系统提供数据来源。除上述传感器外，智能垃圾桶还包括：直流电机、电机驱动模块、紫外线杀菌灯、GSM通信等模块。最终实现桶内垃圾量采集与提醒、桶内外温度采集、自动感应开盖关盖、垃圾异味检测与紫外线杀菌等功能，并将其中的异常状态数据通过GPRS发送给云数据中心。
在数据层，云数据中心保存分布在城市各个角落的大量垃圾桶的地理位置信息，环卫管理部门和环卫工人负责区域的地理范围信息。在此基础上，云数据中心实时收集所有垃圾桶的状态数据，发现异常后立即触发应急响应机制，以便于环卫工人及时处理。与此同时，云数据中心分析历史累积的所有垃圾桶状态信息，为环卫工人提供垃圾回收工作建议，为环卫管理部门提供环卫工人工作业绩考核依据和管理工作决策参考。
应用层主要将云数据中心收集到的垃圾桶紧急状态信息和分析得出的工作建议参考，通过手机APP软件和Web管理系统分别展示给环卫工人和管理人员。环卫工人APP实时呈现单个环卫工人所负责区域内的垃圾桶异常状态信息，如：高温起火预警、垃圾发臭提醒、垃圾过量与回收提醒等，通知对应环卫工人进行及时处理。对于垃圾过量需要回收的垃圾桶，提供最佳垃圾回收时段预测和垃圾回收路线规划，以提高环卫工人的垃圾回收效率。Web管理端主要向环卫管理人员展示环卫工人工作绩效，并基于历史累积的垃圾桶数据提供垃圾桶部署优化、最佳垃圾站部署点等参考建议，辅助环卫管理部门进行决策优化。
1.2 感知层
智能垃圾桶以STM32F103C8T6为主控芯片，通过搭载各类传感器，感知垃圾桶内部及周围状态，实现多种系统功能。在设计上，重点考虑智能垃圾桶的功耗问题。STM32主控芯片通常工作在停止模式，即所有1.2V域时钟关闭，HSI和HSE振荡器关闭，只有当垃圾桶感知到状态发生变化时，才会被唤醒。图2给出STM32芯片内核被唤醒的工作流程。
一是垃圾桶自动感应开盖关盖。在垃圾桶盖前安装人体红外传感器，采集人体感应状态数据。当有人手持垃圾靠近传感器时，将触发对应的中断事件，唤醒STM32芯片内核。芯片将发送信号给继电器，进而驱动步进电机打开桶盖。然后启动关盖定时器，待开盖状态保持一段时间（如5秒）后，再通过继电器控制步进电机关上桶盖，最后恢复到停止模式。
二是垃圾桶工作状态的定期上报。智能垃圾桶每隔五分钟产生一次RTC闹钟中断，唤醒内核进入主程序，检测各个模块是否工作正常，然后启动GSM通信模块，将检测结果报告给云数据中心，最后STM32芯片重新进入停止模式。
三是桶内垃圾量检测。垃圾桶通过超声波传感器实时测量桶内垃圾堆到桶顶的距离，进而计算出桶内垃圾的累积量。若垃圾量超过预定阈值，则启动GSM通信模块，将检测结果报告给云数据中心，最后STM32芯片重新进入停止模式。
四是垃圾桶起火预警。垃圾桶实时采集桶内外温度。若内外温差超过预设阈值，或内部温度过高，表明存在火灾隐患，需进行起火预警。此时，若主控芯片处于工作状态，将暂停其他进程。若主控芯片处于停止模式，将立即被唤醒，然后启动GSM通信模块，将温度数据发送给云数据中心。垃圾桶若一直处于温度异常状态，将不断发送温度数据，直到起火警报解除为止。
五是垃圾异味提醒与紫外线杀菌。垃圾桶安装有甲烷、一氧化碳、氨气、硫化物等气体传感器，感应垃圾变质引起的各类气味浓度变化。当气味浓度达到设定阈值时，将触发中断，唤醒STM32芯片内核。首先，启动GSM通信模块，将气味浓度数据发送到云数据中心，以便通知环卫工人及时处理。同时，打开桶内的紫外线灯进行杀菌，保持一段时间（如30秒）后，关闭紫外线灯，然后进入停止模式。
1.3 数据层
云数据中心主要包括三个部分：垃圾桶异常状态应急响应、环卫数据存储、环卫工作决策分析。垃圾桶异常状态应急响应主要负责对垃圾桶上报的各类异常数据做出相应响应；环卫数据存储则负责保存垃圾桶历史状态信息、垃圾桶部署位置信息和环卫工人信息；环卫工作决策分析负责分析环卫数据，得到环卫工作决策建议，以供环卫工人和管理人员参考。数据层工作原理如图3所示。
数据层接收到各个智能垃圾桶上传的状态数据，首先判断数据类型。若为垃圾桶正常工作状态数据，则更新垃圾桶工作状态表。若为异常状态数据，则根据异常状态类型进行响应处理，并更新数据库中的垃圾桶异常状态表。对于温度过高、垃圾过多、气味异常与垃圾桶工作异常等情况，将通知环卫工人进行及时处理。利用垃圾桶历史状态信息、垃圾桶部署位置信息和环卫工人工作信息，采用数据挖掘算法[3]，得到环卫工人业绩考核、垃圾桶部署建议和最佳垃圾站部署建议，为环卫管理人员提供决策参考。
针对每个环卫工人，垃圾回收时段预测功能基于其所负责区域内所有垃圾桶的历史垃圾量数据和垃圾回收时间，拟合每个垃圾桶的垃圾量变化曲线[4]，统计分析垃圾增长速度快和回收频繁的时间段，从而预测出每天回收垃圾的最佳时段。垃圾回收路线规划功能基于环卫工人负责区域内所有垃圾桶的垃圾累积量和地理位置信息，抽象成垃圾桶地图，进而利用模拟退火算法[5]，计算最短遍历路径，即为最佳垃圾回收路线。
针对环卫管理人员，垃圾桶优化部署建议功能基于每个垃圾桶的历史垃圾量数据和垃圾回收时间，绘制其垃圾量变化曲线，通过权重轮询调度算法[6]，分析垃圾增长速度快和回收频繁的垃圾桶，从而得到垃圾桶增设部署建议。垃圾站部署点建议功能，基于区域内每个垃圾桶的平均垃圾产生速率和地理位置信息，采用K-MEANS算法[7][8]计算得到理想的垃圾站部署点。
1.4 应用层
应用层将数据层分析得到的应急事件通过环卫工人APP推送给环卫工人以便及时处理，并将工作建议参考通过Web管理端以图表化的形式呈现给环卫管理人员。
1.4.1 环卫工人APP
环卫工人APP主要具有：垃圾桶的实时状态查看和异常状态通知、垃圾回收时段预测、以及垃圾回收路线规划等功能。
通过环卫工人APP，环卫工人可以实时查看其所负责区域中的所有垃圾桶状态信息，包括：桶内外温度、桶内剩余容量、垃圾气味等。当垃圾桶状态出现异常时，APP會将异常信息通知给环卫工人，如：桶内温度过高、桶内垃圾过量、垃圾发臭、垃圾桶工作异常等。图4展示了多个垃圾桶的状态，其中，浅灰色图标表示垃圾桶工作正常；着火图标表示垃圾桶即将或已经起火，需要及时降温或灭火；深灰色图标表示垃圾过多，需要尽快回收。
对于垃圾回收时段预测功能，系统根据环卫工人负责区域中所有垃圾桶历史的垃圾累积过程数据和垃圾回收时间，预测该区域的最佳垃圾回收时段，以便于环卫工人合理安排时间，提高工作效率。本系统以30分钟为单位，将一天分成48个时间段，统计历史同时间段内垃圾累积过程数据，分析其中的自相似性规律，进而预测垃圾回收时段。
环卫工人APP还可根据环卫工人所负责区域内的所有垃圾桶地理位置和实时垃圾量，计算最佳垃圾回收路线，以帮助环卫工人提高工作效率。图5展示了垃圾回收路线，环卫工人可按路线逐个回收垃圾桶中的垃圾。
1.4.2 Web管理端
Web管理端将数据层的分析结果以图表化的形式呈现给环卫管理人员，为环卫管理工作提供决策参考。具体内容包括：环卫工人绩效考核、垃圾桶优化部署建议、最佳垃圾站的部署建议。
对于环卫工人绩效考核功能，环卫管理人员可以选定环卫工人名单和时间段，系统提供每位环卫工人在该时间段内处理的垃圾桶数量、垃圾回收总次数、垃圾回收总量和平均回收延迟时间等工作情况数据，为环卫工人的绩效考核提供详尽的参考数据，提高绩效考核的准确性。图6展示了单个环卫工人近五周的垃圾回收信息。
对于垃圾桶优化部署建议功能，系统根据每个垃圾桶的垃圾平均累积速度，分析得到需要增设垃圾桶的位置，显示在地图中。对于最佳垃圾站部署建议功能，系统根据该区域内各个垃圾桶的垃圾累积总量，计算得到垃圾站理想部署位置，以减少垃圾回收路程，提高垃圾回收效率。图7给出了某校园的最佳垃圾站部署点建议，在地图上用深灰色点标注。
2 结束语
为了满足智慧城市对环卫工作的智能化需求，本文采用物联网、云计算、大数据等技术，构建了一个面向智慧城市的智能垃圾桶监管系统。该系统利用温度、气味、人体红外、超声波等传感器，监测垃圾桶内温度过高、垃圾发臭、堆积过量等异常状态，实时反馈给环卫工人进行处理。同时，利用云数据中心存储的垃圾桶历史状态数据，通过数据挖掘分析，为环卫工人提供垃圾回收建议，为环卫管理人员提供环卫工人业绩考核、垃圾桶优化部署、最佳垃圾站部署点等方面的决策参考。
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