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

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)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(duì)城 市生態(tài)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。目前，我國(guó)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(zhǎng)。截止 2014 年底， 我國(guó)城市生活垃圾已產(chǎn)生17 899 萬(wàn)噸，清運(yùn) 17 677 萬(wàn)噸，處 理 16 681 萬(wàn)噸 [1]。垃圾是一種放錯(cuò)了位置的資源，除了一般的 可回收利用外，其中還蘊(yùn)含著豐富的信息，我們有必要對(duì)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(jì)和應(yīng)用系統(tǒng)，用以發(fā)掘垃圾中蘊(yùn)含的信息 價(jià)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(jì) [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(gè)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(chǔ)。 

（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(guò)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(duì)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 

智能垃圾箱主要由感應(yīng)、通信、處理、存儲(chǔ)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(yáng)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(yáng)光和雨天排水。

 可拆卸箱體下為底座和壓力開(kāi)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(shí)現(xiàn)聲音采集和存儲(chǔ)功能 [4]。通信模 塊選擇 ZigBee 技術(shù)，待機(jī)電流為微安級(jí)，發(fā)射電流為毫安級(jí)， 通信范圍最大為 100 m，具有低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì) [5]。本系 統(tǒng)對(duì)垃圾重量進(jìn)行非精確統(tǒng)計(jì)，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(chǔ)介質(zhì)采用 SD 卡，具有 價(jià)格低廉、非易失性等特點(diǎn)。

 壓力開(kāi)關(guān)采用腳踏方式。當(dāng)人往垃圾箱投擲垃圾時(shí)，用 腳踏方式觸發(fā)垃圾箱的壓力開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng) 會(huì)監(jiān)聽(tīng)是否有聲音（用于識(shí)別垃圾種類），當(dāng)有聲音時(shí)便存儲(chǔ) 聲音數(shù)據(jù)并打開(kāi)垃圾箱蓋子。垃圾投擲完后，松開(kāi)腳踏，箱 蓋依靠重力落下，系統(tǒng)檢測(cè)此次投擲的垃圾重量并存儲(chǔ)，接 著控制開(kāi)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(kāi)關(guān)的作用，真正打開(kāi)垃圾箱蓋子的能量來(lái)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(yùn)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(jì)成一種可掛載硬件，在工作時(shí)安裝到運(yùn)輸車上?？紤] 到能耗，決定采用隨開(kāi)隨用的方式，即將要到達(dá)目標(biāo)范圍時(shí)， 司機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟硬件發(fā)送信號(hào)。運(yùn)輸車從進(jìn)入通信范圍到 離開(kāi)，中間有充足的時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)。在運(yùn)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(guò)程如下所示 ：

（1）垃圾運(yùn)輸車在行進(jìn)至距離垃圾箱 20 m 左右時(shí)，發(fā) 送廣播信號(hào)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(hào)后立即被喚醒，發(fā)送 應(yīng)答信號(hào)。 

（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(guò) 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(hào) 后，將存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)清空，同時(shí)向車載設(shè)備發(fā)送斷開(kāi)連 接的信號(hào)，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(guò)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(duì)收集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行云計(jì) 算。聲音數(shù)據(jù)處理依托分布式數(shù)據(jù)庫(kù) [7]。采集各地區(qū)方言存 入本地方言數(shù)據(jù)庫(kù) [8]，作為標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音樣本，當(dāng)實(shí)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(shí)別聲音在該標(biāo)準(zhǔn)樣本庫(kù)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(kù)，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(wèn)完所有數(shù)據(jù)庫(kù)依然不能 識(shí)別則棄用。

聲音樣本匹配主要利用聲音的相似性識(shí)別原理，將被識(shí) 別的聲音數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)聲音樣本進(jìn)行比對(duì)，從而得到目標(biāo)聲音 與標(biāo)準(zhǔn)聲音的一致性判斷 [9]?？紤]到模擬信號(hào)識(shí)別的復(fù)雜性， 在本系統(tǒng)中使用聲音數(shù)字識(shí)別技術(shù)，需要對(duì)被識(shí)別聲音信號(hào) 進(jìn)行量化，然后提取聲音特征，最后通過(guò)對(duì)聲音的特征匹配 得出結(jié)果。聲音匹配過(guò)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(gè)垃圾箱的地址唯一標(biāo)識(shí)，因此 可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法建立各區(qū)域在每個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的各種類型 垃圾投放量的預(yù)測(cè)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(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析以制定相應(yīng)的計(jì)劃和決策 [10]。例如政 府統(tǒng)計(jì)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(fèi)結(jié)構(gòu)、供貨需求等，以便政府了解居民的飲食習(xí)慣，評(píng)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(yùn)輸車的路線、車次，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。

如下所示為模擬整個(gè)系統(tǒng)的工作場(chǎng)景 ： 

某人通過(guò)腳踏方式觸發(fā)垃圾箱工作，發(fā)聲“白菜、蘋果” 打開(kāi)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(chǔ)存在 SD 卡中并進(jìn)行測(cè)重，采集完數(shù)據(jù)后進(jìn)入 休眠模式。垃圾運(yùn)輸車到達(dá)該垃圾箱一定范圍（20 m 左右） 時(shí)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(yùn)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(duì)聲音進(jìn)行處理，得到實(shí)際垃圾 的種類和重量數(shù)據(jù)。工作人員發(fā)現(xiàn)多日沒(méi)有 1 號(hào)區(qū)域編號(hào)為 #CD666## 的垃圾箱數(shù)據(jù)，且 1 號(hào)區(qū)域垃圾明顯增多，要求維 修人員維修并增派運(yùn)輸車到 1 號(hào)區(qū)域。 

物價(jià)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(hào)區(qū)域蔬菜水果消費(fèi)明顯增多，于是考慮從 2 號(hào)區(qū) 域調(diào)控。

3 結(jié) 語(yǔ)

依托垃圾箱采集和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)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(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 進(jìn)社會(huì)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) 和應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)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(shí)現(xiàn)還需要更成熟的技術(shù)和更人性化的設(shè)計(jì)。