趙越超 鄭定成 張宇明

（德宏職業(yè)學(xué)院 云南省德宏傣族景頗族自治州 678400）

1 引言

人們對(duì)生活環(huán)境的衛(wèi)生質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求，但是相對(duì)的筆者在許多小區(qū)觀察到，即使小區(qū)里都配備有公共垃圾桶，垃圾桶也未裝滿，仍然不少有人將垃圾扔在垃圾桶旁邊而不是扔到垃圾桶里，導(dǎo)致環(huán)境污染空氣惡化。究其原因，主要是垃圾丟棄者不愿意用手去打開(kāi)垃圾蓋，避免與不衛(wèi)生的物品接觸，可是這使得公共衛(wèi)生水平反而降低了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在小區(qū)提供一種非接觸式的智能垃圾桶管理系統(tǒng)解決方案就顯得十分必要。

2 需求分析

智能垃圾桶系統(tǒng)的用戶對(duì)象主要有小區(qū)住戶、小區(qū)物業(yè)管理和清潔人員。不同的用戶對(duì)象對(duì)于智能垃圾桶系統(tǒng)的使用訴求也不一樣，下面我們逐一進(jìn)行分析。

2.1 小區(qū)住戶

對(duì)于小區(qū)住戶來(lái)說(shuō)，第一個(gè)訴求是小區(qū)的垃圾桶必須有蓋，避免垃圾桶異味在小區(qū)內(nèi)擴(kuò)散，但是有蓋又會(huì)帶來(lái)丟棄垃圾需要接觸的問(wèn)題，因此，第二個(gè)訴求是要實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式的垃圾投放，第三個(gè)訴求是垃圾桶內(nèi)垃圾滿了要得到及時(shí)的清理，避免在垃圾投遞的時(shí)候無(wú)法投入垃圾桶。以上需求通過(guò)與不同小區(qū)不同年齡階段的住戶溝通調(diào)查得出，是最基本的共性訴求。

2.2 小區(qū)物業(yè)

對(duì)于小區(qū)物業(yè)管理人員而言，若不考慮安裝成本和建設(shè)費(fèi)用的話，對(duì)于使用非接觸智能垃圾桶系統(tǒng)有以下幾個(gè)訴求。一是要能實(shí)時(shí)監(jiān)控到小區(qū)內(nèi)所有垃圾桶的狀態(tài)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的派出清潔人員進(jìn)行處理。二是要能夠?qū)暗臄?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便于優(yōu)化小區(qū)

●本文為德宏職業(yè)學(xué)院校本課題經(jīng)費(fèi)支持，項(xiàng)目編號(hào)：XJYB2020001。垃圾桶的布局和數(shù)量。三是安裝方便，使用成本較低，系統(tǒng)接入簡(jiǎn)單。

2.3 清潔人員

對(duì)于清潔人員來(lái)說(shuō)，一是自動(dòng)打包垃圾袋 ，二是自動(dòng)更換新的垃圾袋，三是外觀設(shè)計(jì)上要能夠與拉垃圾的小車對(duì)接，方便自動(dòng)倒到垃圾車內(nèi)拉走，四是清潔方便，不用擔(dān)心沖水洗桶對(duì)垃圾桶造成損壞。

3 總體設(shè)計(jì)

非接觸智能垃圾桶方案大體分為了智能垃圾桶部分和信息管理系統(tǒng)兩個(gè)部分，智能垃圾桶作為前端，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾回收的各種功能，信息管理系統(tǒng)作為后臺(tái)，承載著智能垃圾桶接入、管理、信息分析題型等運(yùn)行維護(hù)功能。總體概要設(shè)計(jì)如圖1。

圖1：非接觸式智能垃圾桶系統(tǒng)方案

3.1 智能垃圾桶

智能垃圾桶部分主要由基于物聯(lián)網(wǎng)的各種傳感器組成，該部分作為整個(gè)系統(tǒng)的前置功能部件[1]，提供自動(dòng)感應(yīng)開(kāi)蓋，自動(dòng)垃圾打包，自動(dòng)垃圾換袋等功能，主要滿足一線用戶的使用訴求。

3.2 信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)主要提供智能垃圾桶的接入，數(shù)據(jù)的采集，調(diào)配等，解決垃圾桶管理所需的信息管理能力。主要功能有以下幾個(gè)方面。一是智能垃圾桶終端維護(hù)，包括增刪改查投放垃圾桶信息，二是垃圾桶數(shù)據(jù)對(duì)接，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)收集到信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)[2]，便于后期的分析優(yōu)化。三是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)召測(cè)功能，能夠通過(guò)流量在線的垃圾桶，查看垃圾桶當(dāng)前狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。四是提供智能垃圾桶監(jiān)控儀表盤，滿足垃圾桶布放監(jiān)控的需要。五是垃圾數(shù)據(jù)智能分析，通過(guò)多垃圾桶清理頻度、垃圾桶放滿時(shí)間、垃圾桶衛(wèi)生惡化狀況等數(shù)據(jù)的分析，提供垃圾桶部署的優(yōu)化建議。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 硬件部分

4.1.1 自動(dòng)開(kāi)蓋功能

自動(dòng)開(kāi)蓋功能有三個(gè)功能設(shè)計(jì)，一是在垃圾桶正面安裝紅外傳感器，當(dāng)接收到近距離阻擋時(shí)，向后臺(tái)服務(wù)發(fā)送信號(hào)，同時(shí)后臺(tái)服務(wù)發(fā)送開(kāi)蓋命令，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)模塊，自動(dòng)打開(kāi)垃圾桶。二是在垃圾桶前安裝攝像頭，通過(guò)圖像識(shí)別算法，識(shí)別垃圾袋的顏色，不同顏色代表不同分類，垃圾桶可以根據(jù)垃圾袋的顏色，自動(dòng)判定打開(kāi)對(duì)應(yīng)分類的垃圾桶蓋。三是語(yǔ)音識(shí)別。通過(guò)麥克風(fēng)接收語(yǔ)音信息，呼叫“垃圾管家”，待應(yīng)答后，說(shuō)出要開(kāi)蓋垃圾桶顏色，又后臺(tái)服務(wù)判定后打開(kāi)對(duì)應(yīng)的垃圾桶[3]。

4.1.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能

一是垃圾重量監(jiān)測(cè)。通過(guò)稱重傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垃圾重量變化，當(dāng)變化穩(wěn)定后，向服務(wù)器發(fā)送一次垃圾桶重量數(shù)據(jù)。二是垃圾桶容量監(jiān)測(cè)。通過(guò)紅外傳感器，監(jiān)測(cè)垃圾桶的容量情況，當(dāng)垃圾桶已滿時(shí)，向后臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，并且在指示燈提示用戶該垃圾桶已滿。三是氣味狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)氣敏傳感器，定時(shí)傳輸至服務(wù)器后臺(tái)，判定是否有超過(guò)預(yù)設(shè)閾值異味。

4.1.3 自動(dòng)垃圾打包換袋功能

此項(xiàng)功能非該垃圾桶的核心功能，且會(huì)涉及到耗材，不做主要功能設(shè)計(jì)，參照文獻(xiàn)設(shè)計(jì)[4]。

4.2 軟件部分

4.2.1 整體設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2：整體設(shè)計(jì)

4.2.2 終端管理模塊設(shè)計(jì)

終端管理模塊主要用于在系統(tǒng)上添加將要布放智能垃圾桶（對(duì)于系統(tǒng)以下稱為終端）的基礎(chǔ)信息，也就是向系統(tǒng)注冊(cè)終端，主要信息包括終端編號(hào)、終端名稱、終端識(shí)別碼、最大容量、尺寸（長(zhǎng)、寬、高）、購(gòu)置時(shí)間。能夠?qū)σ陨闲畔⑦M(jìn)行增刪改查的操作，支持批量導(dǎo)入。

4.2.3 區(qū)域管理模塊設(shè)計(jì)

區(qū)域管理模塊主要用于建立一個(gè)部署垃圾桶的區(qū)域信息，如XX 小區(qū)。主要維護(hù)信息有區(qū)域名稱、所屬機(jī)構(gòu)、區(qū)域負(fù)責(zé)人、負(fù)責(zé)人電話、區(qū)域地址、行政歸屬等。能夠?qū)σ陨闲畔⑦M(jìn)行增刪改查的操作，支持批量導(dǎo)入。

4.2.4 投放管理模塊設(shè)計(jì)

投放管理模塊主要用于在終端和區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立后，將終端和區(qū)域綁定，以建立起垃圾桶數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系。在綁定終端的同時(shí)，需要同時(shí)保存垃圾桶部署的坐標(biāo)、部署時(shí)間、是否啟用、終端負(fù)責(zé)人、負(fù)責(zé)人電話等，能夠?qū)σ陨闲畔⑦M(jìn)行增刪改查的操作，支持批量導(dǎo)入。能夠查看區(qū)域下終端列表，顯示是否在線、IP 地址，端口號(hào)，連接時(shí)間，上一次斷開(kāi)連接時(shí)間等信息，點(diǎn)擊詳情能夠?qū)K端進(jìn)行控制操作（具體操作見(jiàn)控制功能）。同時(shí)，終端綁定前需要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)與終端連接測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后才能完成綁定。

4.2.5 控制功能接口模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與垃圾桶終端的通信連接。通過(guò)終端IP地址、端口號(hào)和序列號(hào)，識(shí)別唯一的終端，定時(shí)心跳探測(cè)終端在線狀態(tài)。同時(shí)支持遠(yuǎn)程控制指令下發(fā)功能，能夠發(fā)送開(kāi)關(guān)蓋、功能監(jiān)測(cè)等功能[5]。

4.2.6 數(shù)據(jù)采集管理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集管理主要用于建立定時(shí)或者及時(shí)的垃圾桶信息數(shù)據(jù)采集任務(wù)。主要能夠有新建采集任務(wù)，設(shè)置采集任務(wù)類型，定時(shí)采集時(shí)間周期，選擇采集信息字段，字段包括垃圾桶開(kāi)關(guān)記錄、紅外使用記錄、語(yǔ)音使用記錄、圖像識(shí)別使用記錄、氣味記錄、清空后單次垃圾桶裝滿使用記錄等。每一個(gè)記錄都是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄的過(guò)程，主要用于大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，本文不做詳細(xì)描述，將會(huì)在其他文章中專項(xiàng)說(shuō)明。

4.2.7 通知告警管理模塊設(shè)計(jì)

通知告警管理主要提供了一個(gè)區(qū)域監(jiān)控的界面，用戶能夠通過(guò)該界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)垃圾桶使用情況，是否需要清理，是否掉線，是否有異常情況出現(xiàn)，記錄異常發(fā)生的時(shí)間、類型、是否已經(jīng)處理等。

4.2.8 數(shù)據(jù)分析管理模塊設(shè)計(jì)

該模塊是本系統(tǒng)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，基于數(shù)據(jù)采集管理采集到的數(shù)據(jù)信息，綜合挖掘便于環(huán)境衛(wèi)生管理的?？梢圆榭锤黝愋蛿?shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)明細(xì)、以及各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。管理人員可以直觀的了解到環(huán)衛(wèi)數(shù)據(jù)信息。一是統(tǒng)計(jì)出垃圾桶放滿速度最快的終端列表，二是按開(kāi)蓋次數(shù)統(tǒng)計(jì)出終端的使用頻率，三是按氣味數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出衛(wèi)生狀況好壞的終端排名列表，四是按圖像識(shí)別、語(yǔ)音控制、紅外感應(yīng)分別統(tǒng)計(jì)使用數(shù)據(jù)。

4.2.9 園區(qū)設(shè)置建議模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)園區(qū)的數(shù)據(jù)，給出區(qū)域垃圾桶終端設(shè)置的建議，通過(guò)分析垃圾桶放滿的時(shí)間長(zhǎng)短、清理垃圾的頻度和周期，計(jì)算出該區(qū)域垃圾產(chǎn)生量和垃圾桶數(shù)據(jù)量的關(guān)系，若清理周期長(zhǎng)，放滿時(shí)間長(zhǎng)，則說(shuō)明垃圾傾倒需求不足，建議減少該區(qū)域垃圾桶數(shù)量，若清理周期短，垃圾放滿時(shí)間短，則說(shuō)明垃圾投放需求足，建議增加該區(qū)域的垃圾桶數(shù)量。通過(guò)該模塊，能夠優(yōu)化園區(qū)垃圾桶布局，達(dá)到物盡其用，按需分配，功效最大化的目的。

4.2.10 保潔調(diào)度管理模塊設(shè)計(jì)

園區(qū)生活垃圾收運(yùn)管理在生活中變得尤為重要,垃圾清運(yùn)環(huán)節(jié)的車輛調(diào)度影響收運(yùn)效率和成本[6]，該模塊結(jié)合氣味傳感器、垃圾桶滿載等數(shù)據(jù)，制定保潔調(diào)度計(jì)劃，保潔員可以定時(shí)根據(jù)系統(tǒng)給出的路線模塊進(jìn)行垃圾清運(yùn)和保潔維護(hù)工作，避免跑到不需要維護(hù)的點(diǎn)去，達(dá)到節(jié)約時(shí)間，節(jié)約運(yùn)輸成本，提高清運(yùn)效率的效果。包括配置保潔人員信息、新增調(diào)度任務(wù)、管理區(qū)域設(shè)置、保潔人員與區(qū)域綁定等功能。

4.2.11 大數(shù)據(jù)駕駛艙模塊設(shè)計(jì)

該模塊以大屏展示的方式，全方位的展現(xiàn)園區(qū)所有垃圾桶的布局狀況，運(yùn)行狀態(tài)，羅列出使用清運(yùn)頻度最高的垃圾桶和最用清運(yùn)頻度最低的垃圾桶，可以直觀的查看園區(qū)環(huán)衛(wèi)的狀態(tài)評(píng)價(jià)。

5 非功能性設(shè)計(jì)

5.1 交互體驗(yàn)相關(guān)設(shè)計(jì)

（1）實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的 Loading 圖標(biāo)提示。在前端的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求庫(kù)中增加攔截器，在數(shù)據(jù)的獲取異步加載的過(guò)程中 Loading 圖標(biāo)不會(huì)間斷。

（2）表單的二次提交控制。在表單提交快速點(diǎn)擊提交按鈕多次時(shí)，避免出現(xiàn)表單多次提交的問(wèn)題。使用蒙層的 Loading 阻塞用戶的操作的效果。

5.2 輸出格式化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中出現(xiàn)時(shí)間日期的地方，統(tǒng)一采用YYYY-MM-DD HH:MM:SS 的格式，達(dá)到統(tǒng)一日期格式的效果。系統(tǒng)中出現(xiàn)排序的地方，統(tǒng)一默認(rèn)按照添加時(shí)間倒序排序。

5.3 安全性相關(guān)設(shè)計(jì)

（1）身份校驗(yàn)和權(quán)限。引入第三方安全框架，采用Apache Shiro 解決身份驗(yàn)證、授權(quán)、密碼和會(huì)話管理等問(wèn)題。

（2）表單驗(yàn)證。前臺(tái)采用jquery 進(jìn)行輸入驗(yàn)證，后端需要對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行安全驗(yàn)證過(guò)濾。

（3）防止SQL 注入。對(duì)用戶的輸入進(jìn)行校驗(yàn)，可以通過(guò)正則表達(dá)式，或限制長(zhǎng)度；對(duì)單引號(hào)和雙"-"進(jìn)行轉(zhuǎn)換等。不使用動(dòng)態(tài)拼裝SQL，使用參數(shù)化的SQL 或者直接使用存儲(chǔ)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢存取。不使用管理員權(quán)限的數(shù)據(jù)庫(kù)連接，為每個(gè)應(yīng)用使用單獨(dú)的權(quán)限有限的數(shù)據(jù)庫(kù)連接。加密或者h(yuǎn)ash 掉密碼和敏感的信息。應(yīng)用的異常信息應(yīng)該給出盡可能少的提示，使用自定義的錯(cuò)誤信息對(duì)原始錯(cuò)誤信息進(jìn)行包裝。

（4）文件上傳。對(duì)上傳文件進(jìn)行嚴(yán)格的類型、大小限制；不需要的文件類型不允許上傳，不應(yīng)該上傳可執(zhí)行文件。在上傳后的文件系統(tǒng)中需要使用內(nèi)建的唯一命名，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)記錄用戶上傳的文件名請(qǐng)求用戶確認(rèn)和提示，上傳后統(tǒng)一對(duì)文件按照日期流水重命名。

6 結(jié)束語(yǔ)

本篇論文描述了一種非接觸智能垃圾桶管理系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)，并對(duì)其主要設(shè)計(jì)思路和功能模塊做了詳細(xì)介紹。采用物聯(lián)傳感器配套應(yīng)用系統(tǒng)管理，將分散的終端集中管控起來(lái)，以園區(qū)環(huán)衛(wèi)工作作為切入點(diǎn)，采集實(shí)際需求，做了一次應(yīng)用創(chuàng)新嘗試。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，作為智慧城市環(huán)衛(wèi)工作的一個(gè)基礎(chǔ)研究，在園區(qū)環(huán)境中做了試點(diǎn)，下一步可以在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合智慧城市的需求，將該方案作為城市大數(shù)據(jù)環(huán)衛(wèi)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)采集方案，值得去做進(jìn)一步的研究。