基于大數(shù)據(jù)的垃圾統(tǒng)計和應(yīng)用系統(tǒng)

彭勇勝 劉萬強(qiáng) 葉光卉

摘 要：本系統(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位，主要使用STM32系列芯片作為主控器，利用壓力、聲音傳感器采集垃圾重量、數(shù)量、種類等信息并存儲。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)送到垃圾運輸車上的接收終端設(shè)備，最后回傳給處理中心。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)，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使用者。

關(guān)鍵詞：智能垃圾箱；STM32；ZigBee；數(shù)據(jù)采集；大數(shù)據(jù)；云計算

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-0056-02

0 引 言

近年來，我國城市化進(jìn)程加快，城市數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，但由于環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)建設(shè)嚴(yán)重滯后，使得城市垃圾對城市生態(tài)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。目前，我國每年產(chǎn)生近10億噸城市垃圾，且以年平均10%左右的速度增長。截止2014年底，我國城市生活垃圾已產(chǎn)生17 899萬噸，清運17 677萬噸，處理16 681萬噸[1]。垃圾是一種放錯了位置的資源，除了一般的可回收利用外，其中還蘊含著豐富的信息，我們有必要對其加以采集和利用。因此，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們嘗試提出一種基于大數(shù)據(jù)的垃圾統(tǒng)計和應(yīng)用系統(tǒng)，用以發(fā)掘垃圾中蘊含的信息價值。

1 系統(tǒng)層次框圖

本系統(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[2]。本系統(tǒng)的層次架構(gòu)圖如圖1所示。

（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

2.1 智能垃圾箱與數(shù)據(jù)采集

智能垃圾箱主要由感應(yīng)、通信、處理、存儲四大模塊組成，其中感應(yīng)模塊包括壓力、聲音感應(yīng)兩部分。垃圾箱頂部有四塊大小為50 mm×50 mm的5 V，200 mA的太陽能電池板[3]，為控制系統(tǒng)供電。頂部四面均傾斜一定角度，利于電池組接收太陽光和雨天排水。

可拆卸箱體下為底座和壓力開關(guān)。底座部分為控制系統(tǒng)的主體。垃圾箱的微處理芯片選擇高性能的STM32單片機(jī)，內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)化功能，可實現(xiàn)聲音采集和存儲功能[4]。通信模塊選擇ZigBee技術(shù)，待機(jī)電流為微安級，發(fā)射電流為毫安級，通信范圍最大為100 m，具有低成本、低功耗等優(yōu)勢[5]。本系統(tǒng)對垃圾重量進(jìn)行非精確統(tǒng)計，即精度要求不高，市面上絕大部分壓力傳感器都能滿足要求。存儲介質(zhì)采用SD卡，具有價格低廉、非易失性等特點。

壓力開關(guān)采用腳踏方式。當(dāng)人往垃圾箱投擲垃圾時，用腳踏方式觸發(fā)垃圾箱的壓力開關(guān)，啟動處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)會監(jiān)聽是否有聲音（用于識別垃圾種類），當(dāng)有聲音時便存儲聲音數(shù)據(jù)并打開垃圾箱蓋子。垃圾投擲完后，松開腳踏，箱蓋依靠重力落下，系統(tǒng)檢測此次投擲的垃圾重量并存儲，接著控制開關(guān)復(fù)位，最后系統(tǒng)切換到休眠狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，聲音控制只起到開關(guān)的作用，真正打開垃圾箱蓋子的能量來源于人的腳踏。智能垃圾箱的3D模型如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)通信

垃圾運輸車上的數(shù)據(jù)接收模塊作為數(shù)據(jù)采集模塊的一部分被設(shè)計成一種可掛載硬件，在工作時安裝到運輸車上。考慮到能耗，決定采用隨開隨用的方式，即將要到達(dá)目標(biāo)范圍時，司機(jī)通過開關(guān)開啟硬件發(fā)送信號。運輸車從進(jìn)入通信范圍到離開，中間有充足的時間傳輸數(shù)據(jù)。在運輸車到達(dá)之前，垃圾箱單片機(jī)系統(tǒng)一直處于低能耗的休眠狀態(tài)。垃圾箱與車載設(shè)備之間的具體通信過程如下所示：

（1）垃圾運輸車在行進(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[6]。

（4）垃圾箱信息發(fā)送完畢并接收到車載設(shè)備的確認(rèn)信號后，將存儲模塊中的數(shù)據(jù)清空，同時向車載設(shè)備發(fā)送斷開連接的信號，并進(jìn)入休眠狀態(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)備在獲取相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)后，返回發(fā)車處并將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)中心，網(wǎng)絡(luò)中心對收集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行云計算。聲音數(shù)據(jù)處理依托分布式數(shù)據(jù)庫[7]。采集各地區(qū)方言存入本地方言數(shù)據(jù)庫[8]，作為標(biāo)準(zhǔn)語音樣本，當(dāng)實際數(shù)據(jù)傳回后與標(biāo)準(zhǔn)聲音樣本匹配，選取匹配度最高的標(biāo)準(zhǔn)樣本作為該數(shù)據(jù)的最終結(jié)果。如果待識別聲音在該標(biāo)準(zhǔn)樣本庫中匹配度低于設(shè)置的匹配下限，則將數(shù)據(jù)傳輸給與自己相似度最高的其他方言數(shù)據(jù)庫，如果匹配度依然不達(dá)標(biāo)則重復(fù)上述步驟，直至找到符合要求的標(biāo)準(zhǔn)樣本或者訪問完所有數(shù)據(jù)庫依然不能識別則棄用。

聲音樣本匹配主要利用聲音的相似性識別原理，將被識別的聲音數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)聲音樣本進(jìn)行比對，從而得到目標(biāo)聲音與標(biāo)準(zhǔn)聲音的一致性判斷[9]。考慮到模擬信號識別的復(fù)雜性，在本系統(tǒng)中使用聲音數(shù)字識別技術(shù)，需要對被識別聲音信號進(jìn)行量化，然后提取聲音特征，最后通過對聲音的特征匹配得出結(jié)果。聲音匹配過程如圖3所示。

由聲音數(shù)據(jù)可分析出垃圾的種類。垃圾的重量信息可由壓力傳感器直接采集，且每個垃圾箱的地址唯一標(biāo)識，因此可以通過數(shù)學(xué)方法建立各區(qū)域在每個統(tǒng)計周期內(nèi)的各種類型垃圾投放量的預(yù)測模型。

2.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

在網(wǎng)絡(luò)中心，客戶根據(jù)自己的需求獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析以制定相應(yīng)的計劃和決策[10]。例如政府統(tǒng)計部門可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)合理推斷該地區(qū)的人口密度、消費結(jié)構(gòu)、供貨需求等，以便政府了解居民的飲食習(xí)慣，評估居民的生活水平和指導(dǎo)居民的生產(chǎn)生活等。衛(wèi)生部門也可以據(jù)此合理規(guī)劃垃圾運輸車的路線、車次，實現(xiàn)資源利用最大化。

如下所示為模擬整個系統(tǒng)的工作場景：

某人通過腳踏方式觸發(fā)垃圾箱工作，發(fā)聲“白菜、蘋果”打開垃圾箱蓋子完成投擲。垃圾箱接收到聲音后，控制系統(tǒng)將聲音數(shù)據(jù)儲存在SD卡中并進(jìn)行測重，采集完數(shù)據(jù)后進(jìn)入休眠模式。垃圾運輸車到達(dá)該垃圾箱一定范圍（20 m左右）時和垃圾箱建立數(shù)據(jù)連接，完成數(shù)據(jù)傳輸后，垃圾箱被清空，數(shù)據(jù)清零。垃圾運輸車完成當(dāng)天任務(wù)，返回停車處，工作人員上傳數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡(luò)中心，并且清空車載設(shè)備記錄。

網(wǎng)絡(luò)中心收到數(shù)據(jù)后對聲音進(jìn)行處理，得到實際垃圾的種類和重量數(shù)據(jù)。工作人員發(fā)現(xiàn)多日沒有1號區(qū)域編號為#CD666##的垃圾箱數(shù)據(jù)，且1號區(qū)域垃圾明顯增多，要求維修人員維修并增派運輸車到1號區(qū)域。

物價局（用戶）可在網(wǎng)絡(luò)中心獲取關(guān)于食品類的數(shù)據(jù)并分析，發(fā)現(xiàn)1號區(qū)域蔬菜水果消費明顯增多，于是考慮從2號區(qū)域調(diào)控。

3 結(jié) 語

依托垃圾箱采集和統(tǒng)計數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)的一個創(chuàng)新應(yīng)用，是推進(jìn)城市智能化的重要手段。其中涉及到云計算、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)用是推進(jìn)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)計和應(yīng)用系統(tǒng)對發(fā)展經(jīng)濟(jì)、關(guān)注民生有一定的公益意義。但本系統(tǒng)的實現(xiàn)還需要更成熟的技術(shù)和更人性化的設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1]中國報告大廳（www.chinabgao.com）.2015年我國垃圾處理行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[R].2015-07-13.

[2]吳功宜，吳英.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]趙書安.太陽能光伏發(fā)電及技術(shù)應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社，2011.

[4]劉鵬飛，劉云學(xué).基于STM32的智能家居系統(tǒng)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2013（3）：55-60.

[5]杜軍朝，劉惠，劉傳益，等.ZigBee技術(shù)原理與實戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

（下轉(zhuǎn)第頁）

（上接第頁）

[6]李鑫.基于ARM的ZigBee無線通信系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[7]溫偉強(qiáng).Oracle分布式數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（6）：201.

[8]陳錫周.云南少數(shù)民族語言數(shù)據(jù)庫[J].云南民族大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2003，20（1）：112-114.

[9]劉曉宇.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聲音識別算法研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2014.

[10]大數(shù)據(jù)建模的數(shù)據(jù)庫規(guī)劃[J].網(wǎng)絡(luò)運維與管理，2013（17）：8.