楊曾輝

(陜西理工大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)中心，陜西 漢中 723001)

1 城市垃圾分類處理與調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性

社會(huì)急速發(fā)展，人民精神文明隨之提高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)日趨強(qiáng)烈。2019年7月1日，《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》正式實(shí)行，成為2019年國(guó)民關(guān)注度最高的話題之一，全國(guó)各地各級(jí)政府也紛紛出臺(tái)了關(guān)于新形勢(shì)下的垃圾分類、運(yùn)輸、處理等改良型政策，得到了社會(huì)各界的廣泛討論。傳統(tǒng)的垃圾運(yùn)輸、處理方式存在大量不可控因素，依賴大量勞動(dòng)工具以及勞動(dòng)力，導(dǎo)致人力、物力以及經(jīng)濟(jì)資源的浪費(fèi)。如何全面、高效采集城市垃圾及運(yùn)輸系統(tǒng)的信息，是現(xiàn)代化城市管理發(fā)展的重要課題[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、GPS/北斗定位等技術(shù)的高速發(fā)展[2-4]，本文研究、探索將智能化技術(shù)同垃圾運(yùn)輸、處理系統(tǒng)進(jìn)行深度融合[5]，以提升現(xiàn)代化城市垃圾處理系統(tǒng)的發(fā)展，不但能夠有效優(yōu)化如今城市垃圾處理的老舊模式，大幅度提升城市垃圾處理效率，還能促進(jìn)環(huán)境改善、城市環(huán)保管理水平以及提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 系統(tǒng)主要內(nèi)容

(1)設(shè)計(jì)智能垃圾箱，可實(shí)時(shí)進(jìn)行容量預(yù)警、監(jiān)測(cè)重量、位置信息，并可通過無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸將該信息發(fā)送至云端服務(wù)器。其中，云端與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心保持信息數(shù)據(jù)同步。(2)智能垃圾箱、分類運(yùn)輸車輛、分類垃圾處理集散點(diǎn)配置GPS/北斗定位系統(tǒng)及相應(yīng)軟件，環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其具體位置，與云端數(shù)據(jù)相結(jié)合，配合分類運(yùn)輸車輛、分類垃圾處理集散地進(jìn)行路線與目的地規(guī)劃。(3)利用新浪云提供的云計(jì)算服務(wù)完成云端網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)[6-8]，使云端服務(wù)鏈接至微信公眾平臺(tái)[9]，分類垃圾運(yùn)輸車駕駛員、公眾可從公眾號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)以觀測(cè)實(shí)時(shí)信息。同時(shí)，與GPS/北斗定位系統(tǒng)相結(jié)合，不同種類垃圾運(yùn)輸車輛與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心即可獲知對(duì)應(yīng)分類垃圾箱、分類垃圾處理集散點(diǎn)的采集信息，從而根據(jù)實(shí)際情況來確定最佳的垃圾收集方式、路線及目的地。公眾可從微信公眾號(hào)獲知各分類垃圾箱的實(shí)時(shí)信息、分類運(yùn)輸車動(dòng)態(tài)以及垃圾去向動(dòng)態(tài)。

城市垃圾分類投放至相應(yīng)的智能垃圾箱，由智能垃圾箱進(jìn)行信息采集，容量超過一定限度后進(jìn)行容量預(yù)警，同時(shí)，將重量、位置、唯一編號(hào)信息上傳至云端服務(wù)器，信息與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心同步。分類垃圾運(yùn)輸車駕駛員通過微信公眾號(hào)進(jìn)入信息庫(kù)，獲取需前往收集的城市垃圾箱信息，與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心的衛(wèi)星定位系統(tǒng)配合以保證可靠性，規(guī)劃最佳路線。各分類處理集散點(diǎn)將定位、收納容量、處理信息上傳至環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心，并同步到云端服務(wù)器，由運(yùn)輸車駕駛員與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心配合規(guī)劃最終目的地。公眾可通過微信公眾號(hào)獲取城市各垃圾箱實(shí)時(shí)信息、分類垃圾運(yùn)輸車實(shí)時(shí)信息以及垃圾分類處理去向?qū)崟r(shí)信息。系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意

3 技術(shù)方案

3.1 總體技術(shù)方案

總體方案功能：(1)智能垃圾箱內(nèi)置料位傳感器、重量傳感器、WiFi模塊、GPRS模塊、GPS/北斗定位模塊及信號(hào)處理、微控制器模塊。將容量預(yù)警、重量、編號(hào)、位置信息上傳至云端，并建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，信息與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心同步。同時(shí)，將信息以微信公眾號(hào)方式推送至公眾，其具體定位通過GPS/北斗定位模塊實(shí)現(xiàn)。(2)分類運(yùn)輸車通過微信公眾號(hào)信息、環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心系統(tǒng)信息、垃圾箱衛(wèi)星定位以及各垃圾處理集散點(diǎn)衛(wèi)星定位、容量信息，規(guī)劃路線、目的地。(3)垃圾處理集散點(diǎn)將信息實(shí)時(shí)上傳至環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心，與云端同步，循環(huán)將所需信息利用微信公眾號(hào)推送至分類運(yùn)輸車、公眾?？傮w方案功能如圖2所示。

圖2 總體方案功能示意

3.2 智能垃圾箱方案

在分類垃圾箱以及垃圾集散點(diǎn)設(shè)置料位傳感器以及重量傳感器。當(dāng)垃圾容量達(dá)到預(yù)警值，傳感器將發(fā)送容量信息、重量信息上傳至云端，并與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心同步。智能垃圾箱內(nèi)置GPS模塊或北斗定位模塊，并有唯一編號(hào)、分類垃圾車駕駛員可從微信公眾號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)觀測(cè)智能垃圾箱位置，并合理安排收集路線，調(diào)度中心也可觀測(cè)智能垃圾箱位置。

3.2.1 垃圾箱容量信息采集

(1)料位傳感器選型：垃圾箱內(nèi)環(huán)境極為復(fù)雜，箱內(nèi)的環(huán)境成分會(huì)對(duì)多數(shù)傳感器造成信號(hào)干擾。因此，選用超聲波接近開關(guān)，可檢測(cè)到2.5 cm～10 m內(nèi)的任何物體，可進(jìn)行液位測(cè)量、高度測(cè)量、距離測(cè)量以及裝瓶計(jì)數(shù)。各種不同特性的物體都可檢測(cè)，包括固體、液體、粉末以及透明物體，檢測(cè)被檢物體時(shí)與其表面的性質(zhì)無關(guān)。以上工作特點(diǎn)與垃圾箱內(nèi)環(huán)境十分契合，因而，本系統(tǒng)選用超聲波接近開關(guān)方案。超聲波接近開關(guān)原理示意如圖3所示。將超聲波接近開關(guān)置于智能垃圾箱蓋處，預(yù)警距離設(shè)為L(zhǎng)，L根據(jù)具體容量而定，當(dāng)反射物(垃圾)與箱蓋的距離小于或等于L時(shí)，接近開關(guān)即輸出電壓信號(hào)。

圖3 超聲波接近開關(guān)原理示意

(2)重量傳感器選型：常見的重量傳感器有電阻應(yīng)變式、電磁力式和電容式等。電阻應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，適用面廣，能夠在復(fù)雜的環(huán)境下使用，且其規(guī)格范圍小到幾百克大到幾百噸。因而，本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器，如圖4所示。

3.2.2 信號(hào)處理模塊

傳感器采集信息，將預(yù)警信息轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，送往信號(hào)處理模塊及控制器，發(fā)送容量預(yù)警指令給通信模塊，同時(shí)，將重量信息、位置信息、編號(hào)信息一起發(fā)送至云服務(wù)器，再回傳至分類垃圾車以及環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心?？紤]到斷網(wǎng)等突發(fā)情況，通信模塊采用WiFi模塊與GPRS模塊相結(jié)合的方式，以保證可靠性。當(dāng)分類運(yùn)輸車輛趕往，并處理完該處對(duì)應(yīng)分類垃圾箱后，垃圾容量低于警告限值，該處料位傳感器停止向云端發(fā)送預(yù)警信息；當(dāng)運(yùn)輸車輛收集滿時(shí)，也可通過微信公眾號(hào)查詢尚有收集容量的垃圾處理處進(jìn)行垃圾釋放。

圖4 電阻應(yīng)變式稱重傳感器

3.2.3 智能垃圾箱定位

通過給智能垃圾箱裝置GPS模塊或者北斗定位模塊及相應(yīng)軟件，對(duì)該垃圾箱進(jìn)行唯一編號(hào)，分類垃圾運(yùn)輸車和環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心可實(shí)時(shí)查詢其具體位置，方便合理設(shè)計(jì)運(yùn)輸路線。

3.3 分類運(yùn)輸車運(yùn)輸調(diào)度方案

駕駛員、公眾通過微信公眾號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，獲知實(shí)時(shí)城市垃圾系統(tǒng)信息，此信息與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心同步。所有運(yùn)輸車、垃圾箱、垃圾處理集散點(diǎn)都安置GPS/北斗定位系統(tǒng)，環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心可實(shí)時(shí)獲知其具體位置以進(jìn)行調(diào)度，兩種方式相結(jié)合，以確保分類垃圾運(yùn)輸工作規(guī)劃的可靠性。

3.4 分類垃圾集散點(diǎn)信息系統(tǒng)

分類垃圾集散點(diǎn)信息系統(tǒng)類似智能垃圾箱方案，設(shè)施頂部蓋處設(shè)置超聲波接近開關(guān)以預(yù)警垃圾收集量，警告限值根據(jù)分類垃圾集散點(diǎn)設(shè)施的容量而定。當(dāng)垃圾容量達(dá)到預(yù)警值，傳感器將發(fā)送容量預(yù)警信息上傳至云端并與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心信息同步。

3.5 微信公眾號(hào)方案

利用微信公眾號(hào)以及已具備可開發(fā)式服務(wù)功能的云端服務(wù)，設(shè)計(jì)公眾號(hào)獲取信息格式，最終使分類垃圾運(yùn)輸車駕駛員、公眾可獲得各有唯一編號(hào)的智能垃圾箱、垃圾集散點(diǎn)的微信公眾號(hào)信息，包括智能垃圾箱垃圾容量、垃圾重量、具體位置信息以及分類投放去向信息。同時(shí)，云端建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，與環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心信息同步。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)配合國(guó)家垃圾分類政策，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPS/北斗定位技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)、傳感器技術(shù)、微信公眾號(hào)技術(shù)與城市環(huán)保管理深度融合，實(shí)現(xiàn)智慧城市的目標(biāo)建設(shè)；同時(shí)，使得公眾通過網(wǎng)絡(luò)生活工具參與到城市環(huán)保管理中，更有利于環(huán)保政策的推廣和落實(shí)。