陳 立 鹿順航 曾志輝?

(1.江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000；2.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454003)

在日常生活中，垃圾桶的身影無(wú)處不在，垃圾桶的廣泛應(yīng)用在帶來(lái)便捷、環(huán)境保護(hù)的同時(shí)也帶來(lái)了很多麻煩，在社區(qū)諸多地方垃圾桶因垃圾裝滿(mǎn)后沒(méi)有得到及時(shí)處理而造成環(huán)境二次污染，尤其是不可回收垃圾、有害垃圾，雖然目前很多智能垃圾桶的出現(xiàn)解決了這些問(wèn)題，但由于其信息傳輸慢，功耗大，特別是在復(fù)雜的環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失、軟件錯(cuò)誤等故障，并不能很好地對(duì)垃圾桶實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和管理。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于免疫連通模型與Dijkstra 算法的垃圾桶區(qū)域化管理控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、總站節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)管理后臺(tái)組成。子系統(tǒng)利用人體感應(yīng)模塊檢測(cè)垃圾桶周?chē)欠裼腥?，利用超聲波傳感器測(cè)距檢測(cè)垃圾桶內(nèi)部剩余多少空間、利用紅外線(xiàn)傳感器檢測(cè)垃圾桶是否裝滿(mǎn)、通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮板以及對(duì)垃圾蓋的控制。利用LoRa 組網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一種垃圾桶區(qū)域化管理控制系統(tǒng)。

汪華斌等[1]采用ZigBee 技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控城市的垃圾信息，但沒(méi)有設(shè)計(jì)垃圾桶的防溢出功能，且并沒(méi)有考慮傳輸距離的問(wèn)題，范晨陽(yáng)等[2]提出了利用NB-lot技術(shù)解決傳輸距離問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了垃圾桶的防溢出功能，但并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾車(chē)的調(diào)度?；谝陨峡紤]，為了解決垃圾桶裝滿(mǎn)后沒(méi)有得到及時(shí)處理而造成環(huán)境二次污染的問(wèn)題，提出一種基于免疫連通模型與Dijkstra 算法的垃圾桶區(qū)域化管理控制系統(tǒng)，利用系統(tǒng)管理后臺(tái)來(lái)監(jiān)視城市垃圾桶垃圾，并設(shè)計(jì)了垃圾桶的防溢出功能，有效地解決了垃圾桶垃圾溢出問(wèn)題，并利用LoRa 技術(shù)實(shí)現(xiàn)垃圾桶的區(qū)域化管理，合理地調(diào)度垃圾車(chē)，有效地節(jié)約垃圾車(chē)資源。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

垃圾桶區(qū)域化管理控制系統(tǒng)共包括3 部分，即子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、總站節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)管理后臺(tái)。系統(tǒng)框架圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

LoRa 節(jié)點(diǎn)與垃圾桶連接構(gòu)成子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)利用多傳感器技術(shù)，采集垃圾桶內(nèi)部的剩余容量信息，并通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)垃圾桶防溢出、垃圾蓋自動(dòng)開(kāi)閉等功能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)LoRa 技術(shù)發(fā)送至LoRa 總站；LoRa 總站與微處理器連接構(gòu)成總站節(jié)點(diǎn)，起監(jiān)視、合理派送垃圾車(chē)的作用。垃圾桶的模型圖如下圖所示:

系統(tǒng)管理后臺(tái)和總站節(jié)點(diǎn)設(shè)置在垃圾站，總站節(jié)點(diǎn)將信息處理后上傳至系統(tǒng)管理后臺(tái)，系統(tǒng)管理后臺(tái)通過(guò)JAVA 技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)報(bào)表、數(shù)據(jù)分析和滿(mǎn)溢提醒等功能。系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)圖

2 基于免疫連通模型的Dijkstra 算法設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集

系統(tǒng)利用多傳感器技術(shù)采集信息，其中人體感應(yīng)模塊檢測(cè)垃圾桶周?chē)欠裼腥?、紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)垃圾桶是否裝滿(mǎn)、超聲波測(cè)距模塊用于檢測(cè)垃圾桶內(nèi)部剩余多少空間。信息處理模塊對(duì)采集的信息進(jìn)行處理并發(fā)送至LoRa 子站主控板，LoRa 子站主控板控制根據(jù)信息處理模塊發(fā)送的信息控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，并對(duì)垃圾桶內(nèi)部的剩余容量信息進(jìn)行處理后發(fā)送至總站節(jié)點(diǎn)。

2.2 Dijkstra 算法設(shè)計(jì)

Dijkstra(迪杰斯特拉)算法常用來(lái)尋找?guī)?quán)有向圖中節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑。針對(duì)本系統(tǒng)，本系統(tǒng)可利用Dijkstra 算法減少垃圾站與垃圾桶之間信息傳遞所消耗的能量。

利用Dijkstra 算法求解最短路徑，簡(jiǎn)要步驟如下:

(1)設(shè)未確定的最短路徑節(jié)點(diǎn)集合、已確定的最短路徑節(jié)點(diǎn)集合分別為X和Y，并設(shè)起始點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑值為T(mén)，并利用權(quán)圖的鄰接矩陣對(duì)T進(jìn)行過(guò)初始化。

(2)若起始點(diǎn)s到點(diǎn)i的最短路徑的長(zhǎng)度為T(mén)[i]，把i從X放到Y(jié)中。

(3)利用節(jié)點(diǎn)i更新數(shù)組T中起始點(diǎn)s到數(shù)組Y中的節(jié)點(diǎn)k對(duì)應(yīng)的路徑值。

(4)重復(fù)步驟1、2 直至找到起始點(diǎn)s到所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑值。

路徑質(zhì)量常用來(lái)評(píng)估傳輸穩(wěn)定性和可靠性，當(dāng)路徑質(zhì)量低于闕值時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障。將子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)Ni和總站節(jié)點(diǎn)T之間的路徑質(zhì)量Q定義為子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和總站節(jié)點(diǎn)剩余能量與距離的歸一化權(quán)重和，定義為:

式中:λ為權(quán)重系數(shù)，滿(mǎn)足λ1＋λ2＝1；Ei表示子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)Ni的剩余能量；Esi表示節(jié)點(diǎn)的初始能量；Di表示子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)Ni與總站節(jié)點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度。

2.3 區(qū)域化免疫連通模型設(shè)計(jì)

目前，對(duì)免疫連通模型運(yùn)用在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究有:運(yùn)用遺傳樣本優(yōu)化和蒙特卡洛評(píng)價(jià)函數(shù)最大化傳輸效率，基于二進(jìn)制和概率模型的集中免疫泰森多路徑優(yōu)化傳輸[3]，多目標(biāo)免疫協(xié)同進(jìn)化算法[4]，泰森盲區(qū)多邊形傳輸控制[5]，基于免疫連通模型的多路徑傳輸選擇算法[6]?；谝陨峡紤]，區(qū)域化免疫連通模型構(gòu)建如下:

抗體:垃圾桶與垃圾站之間的連通路徑保證網(wǎng)絡(luò)連通性和傳輸可靠性。

抗原:垃圾站監(jiān)控區(qū)域內(nèi)所有的垃圾桶。

抗體抗原親和力評(píng)價(jià)函數(shù)f:垃圾桶與垃圾站之間網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性的保證能力。單條路徑質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)定義為式(2)。

式中:pi為第i條傳輸路徑，qi為該路徑鏈的質(zhì)量，w為路徑鏈的數(shù)量。相應(yīng)的M條傳輸路徑的質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)為式(3)。

抗體編碼規(guī)則:垃圾站檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的所有的垃圾桶以二進(jìn)制編碼，二進(jìn)制編碼位數(shù)為垃圾桶數(shù)量的最小值。

抗原/抗體(基因)變異規(guī)則:二進(jìn)制數(shù)0 隨機(jī)變?yōu)?，二進(jìn)制數(shù)1 隨機(jī)變?yōu)?，抗原變異后的節(jié)點(diǎn)須在上一節(jié)點(diǎn)的射頻覆蓋范圍內(nèi)，抗體的變異須在垃圾站和垃圾桶之間保持連通性，沒(méi)有連通的抗體無(wú)效。

變異種群設(shè)置:最初隨機(jī)建立w個(gè)有效抗體，保持垃圾站和垃圾桶之間的連通性?？贵w的變異按照自適應(yīng)遺傳算法[7]中交叉概率Pc與變異概率Pm進(jìn)行變異生成新的抗體群，Pc和Pm由式(4)和式(5)給出。

式中:fmax為抗體中路徑的最大值，favg為抗體中路徑質(zhì)量的平均值，fd為變異抗體的評(píng)價(jià)值，fc為耦合交叉抗體的評(píng)價(jià)值，k1，k2，k3，k4為常數(shù)。

2.4 基于免疫連通模型的Dijkstra 算法

利用Dijkstra 算法選擇最短路徑傳輸，子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和總站節(jié)點(diǎn)容易產(chǎn)生多條最短路徑，通過(guò)免疫機(jī)制來(lái)選擇合適的最短路徑，還有效彌補(bǔ)了Dijkstra 算法中剩余節(jié)點(diǎn)能量對(duì)通信的影響，以及解決了節(jié)點(diǎn)意外故障對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。算法?zhí)行流程圖如圖3 所示。

圖3 基于免疫連通模型的Dijkstra 算法

算法執(zhí)行步驟如下:

首先，算法根據(jù)垃圾桶數(shù)，垃圾桶位置，通信距離和檢測(cè)區(qū)域大小，建立能量矩陣，建立初始抗體群，對(duì)抗原抗體進(jìn)行二進(jìn)制編碼。子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)式(1)判斷節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量，選擇從垃圾桶到垃圾站的w條傳輸路徑作為w個(gè)抗體。

用式(2)對(duì)所有的抗體成員進(jìn)行評(píng)價(jià)，挑選出a個(gè)抗體作為初始抗體成員群，即C＝{p(1)，p(2)，…，p(a)}。用式(3)對(duì)選擇出的路徑進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選出滿(mǎn)足條件的路徑，并對(duì)這些路徑進(jìn)行Dijkstra 算法求解，選出新的路徑組成優(yōu)秀抗體群。

判斷優(yōu)秀抗體群的剩余能量是否小于節(jié)點(diǎn)剩余能量最小值，選出滿(mǎn)足條件的抗體節(jié)點(diǎn)，并對(duì)選出的抗體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗體節(jié)點(diǎn)變異，根據(jù)抗體節(jié)點(diǎn)變異的規(guī)則，對(duì)抗體群里的節(jié)點(diǎn)按照式(4)、式(5)進(jìn)行變異。用式(3)變異后的新抗體進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)后與原抗體混合比較，選擇全局最優(yōu)的路徑，并循環(huán)執(zhí)行上述步驟直至迭代次數(shù)超過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)值。

子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)利用該算法對(duì)發(fā)送的信息進(jìn)行處理后發(fā)送至總站節(jié)點(diǎn)，可有效地解決節(jié)點(diǎn)意外故障對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀_(dá)到信息最優(yōu)化傳輸和減少節(jié)點(diǎn)能耗的目的。

3 垃圾桶防溢出功能設(shè)計(jì)

垃圾桶經(jīng)常存在垃圾溢出現(xiàn)象，因此需要給垃圾桶設(shè)計(jì)防溢出功能，即利用垃圾桶內(nèi)部的LoRa 子站主控板根據(jù)信息檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的信息控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成壓縮板自動(dòng)壓縮和垃圾蓋自動(dòng)關(guān)閉。

垃圾桶防溢出設(shè)計(jì)的流程圖如圖4 所示。

圖4 垃圾桶防溢出流程圖

具體實(shí)施過(guò)程如下:

步驟1 人體感應(yīng)傳感器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在垃圾桶的頂部，人體感應(yīng)傳感器檢測(cè)到垃圾桶周?chē)? m 有人且時(shí)間持續(xù)3 s 以上時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制垃圾蓋打開(kāi)。

步驟2 人體感應(yīng)模塊檢測(cè)到垃圾桶周?chē)? m沒(méi)人且時(shí)間持續(xù)4 s 以上時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制垃圾蓋關(guān)閉，反之執(zhí)行步驟1。

步驟3 紅外傳感器位于垃圾桶的入口處，當(dāng)垃圾蓋關(guān)閉后，判斷垃圾桶入口處紅外傳感器是被遮住，被遮住后執(zhí)行步驟5，否之，執(zhí)行步驟1。

步驟4 入口處的紅外傳感器被遮住后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制垃圾桶頂部壓縮板自動(dòng)下壓后上升。

步驟5 當(dāng)垃圾桶入口處紅外傳感器再次被遮住時(shí)，垃圾蓋保持關(guān)閉，否之執(zhí)行步驟1。

步驟6 當(dāng)垃圾桶內(nèi)部的垃圾被回收后，系統(tǒng)將被復(fù)位。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息最優(yōu)化傳輸和減少節(jié)點(diǎn)能耗以及是否能夠合理節(jié)約垃圾車(chē)資源，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)運(yùn)用該算法的區(qū)域化管理系統(tǒng)與普通的區(qū)域化管理系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)將子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在1 000 m?1 000 m的模擬區(qū)域內(nèi)，并將節(jié)點(diǎn)初始能量設(shè)置成E0＝2 J；網(wǎng)絡(luò)延遲值設(shè)置為5；節(jié)點(diǎn)密度為200；速度為15 m/s。實(shí)驗(yàn)分別從網(wǎng)絡(luò)壽命、傳輸延遲和垃圾車(chē)?yán)寐嗜矫骝?yàn)證。其中實(shí)驗(yàn)制作的垃圾桶模型圖如圖5(a)、5(b)所示。

圖5 垃圾桶模型圖

系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖6、圖7 所示。

圖6 子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

圖7 總站節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

4.2 數(shù)據(jù)收集及分析

(1)網(wǎng)絡(luò)壽命

通過(guò)計(jì)算存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)量從而得出網(wǎng)絡(luò)的效率，獲得子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的平均通信輪回次數(shù)，當(dāng)75%的子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能量耗完時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可認(rèn)為完全死亡。

圖8 顯示了本系統(tǒng)和普通的區(qū)域化管理系統(tǒng)的平均輪回次數(shù)的對(duì)比，根據(jù)圖8 可知，本系統(tǒng)的平均輪回次數(shù)比普通區(qū)域化管理系統(tǒng)的次數(shù)多，即本系統(tǒng)比普通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)壽命更長(zhǎng)。

圖8 網(wǎng)絡(luò)壽命

(2)傳輸延遲

傳輸延遲是指包的接收時(shí)間與發(fā)送時(shí)間差，包括路由延遲以及數(shù)據(jù)傳輸延遲的平均值。

圖9 顯示了本系統(tǒng)和普通的區(qū)域化管理系統(tǒng)的平均傳輸延遲的對(duì)比，根據(jù)圖9 可知，本系統(tǒng)的平均延遲時(shí)間比普通區(qū)域化管理系統(tǒng)的時(shí)間短。

圖9 傳輸延遲

(3)垃圾車(chē)?yán)寐?/p>

假設(shè)每個(gè)子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)即垃圾桶裝滿(mǎn)垃圾需要10 s，設(shè)置同樣的垃圾桶數(shù)量，比較普通系統(tǒng)和本系統(tǒng)使用垃圾車(chē)的數(shù)量，使用垃圾車(chē)的數(shù)量越少，垃圾車(chē)的利用率越高，

圖10 顯示了本系統(tǒng)和普通區(qū)域化管理系統(tǒng)的垃圾車(chē)?yán)寐蕦?duì)比，根據(jù)圖10 可知垃圾車(chē)?yán)寐孰S子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而升高，無(wú)論子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)少或者多，本系統(tǒng)的傳垃圾車(chē)?yán)寐时绕胀ㄏ到y(tǒng)高。

圖10 傳輸可靠性

5 結(jié)語(yǔ)

所提出的一種基于免疫連通模型與Dijkstra 算法的垃圾桶區(qū)域化管理控制系統(tǒng)，不僅可以解決在社區(qū)諸多地方垃圾桶因垃圾裝滿(mǎn)后沒(méi)有得到及時(shí)處理的問(wèn)題，還可以提高信息最優(yōu)化傳輸以及減少節(jié)點(diǎn)的能耗，合理地使用垃圾車(chē)資源，實(shí)現(xiàn)垃圾站對(duì)垃圾桶準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和管理。