馬長江 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垃圾的重量、數(shù)量、種類等信息。數(shù)據(jù)采集完成后,通過ZigBee無線通信技術(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)庫的大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成信息的分析和處理,并通過方言分析、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,中國城市化進(jìn)程加快,城市數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而,由于環(huán)?;A(chǔ)設(shè)施的嚴(yán)重滯后,城市垃圾對城市生態(tài)環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重。目前,中國每年產(chǎn)生近10億噸城市垃圾,年均增長率約10%。截至2020年底,中國共產(chǎn)生城市固體廢物17899萬噸,清除城市固體廢物17677萬噸,處理城市固體廢物16681萬噸。因此,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),我們嘗試提出一個基于大數(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。
(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、存儲四個模塊組成。感測模塊包括壓力感測和聲音感測。垃圾箱頂部有四塊尺寸為50 mm×50 mm 5 V、200 Ma的太陽能電池板,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光和排水?;静糠质强刂葡到y(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[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)。存儲介質(zhì)采用SD卡,具有價格低、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,用腳觸發(fā)垃圾箱的壓力開關(guān),啟動處理系統(tǒng)。處理系統(tǒng)將監(jiān)測聲音(用于識別廢物類型)。當(dāng)有聲音時,存儲聲音數(shù)據(jù)并打開垃圾箱蓋。扔完垃圾后,松開踏板,箱蓋會在重力作用下掉落。系統(tǒng)檢測并存儲丟棄垃圾的重量,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,語音控制只是一個開關(guān)。真正打開垃圾箱蓋的能量來自人們的踏板。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,駕駛員通過硬件上的開關(guān)發(fā)送信號。運(yùn)輸車輛有足夠的時間從進(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,發(fā)送廣播信號搜尋并激活附近設(shè)備。
(2)垃圾箱主系統(tǒng)接收到激活信號后立即被喚醒,發(fā)送應(yīng)答信號。
(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)信號后,清空存儲模塊中的數(shù)據(jù),向車載設(shè)備發(fā)送斷開信號,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。當(dāng)?shù)胤窖宰鳛闃?biāo)準(zhǔn)語音樣本收集并存儲在當(dāng)?shù)胤窖詳?shù)據(jù)庫中。返回實(shí)際數(shù)據(jù)時,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)庫中待識別語音的匹配度低于設(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。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)庫仍然無法識別,然后將其丟棄。
3 結(jié)語
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)用是推動社會進(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)。
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