基于大數(shù)據(jù)的垃圾統(tǒng)計和應用系統(tǒng)

0 引 言

近年來，我國城市化進程加快，城市數(shù)量和規(guī)模不斷擴 大，但由于環(huán)境保護基礎建設嚴重滯后，使得城市垃圾對城 市生態(tài)環(huán)境的污染日益嚴重。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，我們嘗試提出一種基 于大數(shù)據(jù)的垃圾統(tǒng)計和應用系統(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)絡層和應用 層進行系統(tǒng)設計 [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)絡層利用 ZigBee 技術將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到垃圾 運輸車上的終端接收設備，最后回傳給處理中心。 

（3）應用層主要依賴大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過方言分析、 關鍵詞匹配、數(shù)據(jù)分類和數(shù)學建模等處理，完成對信息的分 析加工并提供給不同的使用者。

2 系統(tǒng)各模塊詳細設計 

2.1 智能垃圾箱與數(shù)據(jù)采集 

智能垃圾箱主要由感應、通信、處理、存儲四大模塊組 成，其中感應模塊包括壓力、聲音感應兩部分。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。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， 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，待機電流為微安級，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。

 壓力開關采用腳踏方式。當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，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 著控制開關復位，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 分被設計成一種可掛載硬件，在工作時安裝到運輸車上?？紤] 到能耗，決定采用隨開隨用的方式，即將要到達目標范圍時， 司機通過開關開啟硬件發(fā)送信號。運輸車從進入通信范圍到 離開，中間有充足的時間傳輸數(shù)據(jù)。在運輸車到達之前，垃 圾箱單片機系統(tǒng)一直處于低能耗的休眠狀態(tài)。垃圾箱與車載 設備之間的具體通信過程如下所示 ：

（1）垃圾運輸車在行進至距離垃圾箱 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 應答信號。 

（3）車載設備的通信模塊與垃圾箱的通信模塊進行一次 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備的確認信號 后，將存儲模塊中的數(shù)據(jù)清空，同時向車載設備發(fā)送斷開連 接的信號，并進入休眠狀態(tài)。

至此，垃圾箱與車載設備之間的信息交互過程結(jié)束。

 2.3 數(shù)據(jù)處理

 車載設備在獲取相應區(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)絡中心，網(wǎng)絡中心對收集到的原始數(shù)據(jù)進行云計 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]，作為標準語音樣本，當實際數(shù)據(jù)傳回后 與標準聲音樣本匹配，選取匹配度最高的標準樣本作為該數(shù) 據(jù)的最終結(jié)果。如果待識別聲音在該標準樣本庫中匹配度低 于設置的匹配下限，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標則重復上述步驟，直 至找到符合要求的標準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)與標準聲音樣本進行比對，從而得到目標聲音 與標準聲音的一致性判斷 [9]。考慮到模擬信號識別的復雜性， 在本系統(tǒng)中使用聲音數(shù)字識別技術，需要對被識別聲音信號 進行量化，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識，因此 可以通過數(shù)學方法建立各區(qū)域在每個統(tǒng)計周期內(nèi)的各種類型 垃圾投放量的預測模型。

 2.4 數(shù)據(jù)應用 

在網(wǎng)絡中心，客戶根據(jù)自己的需求獲取相應的數(shù)據(jù)，通 過對數(shù)據(jù)進行深度分析以制定相應的計劃和決策 [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慣，評估 居民的生活水平和指導居民的生產(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 卡中并進行測重，采集完數(shù)據(jù)后進入 休眠模式。垃圾運輸車到達該垃圾箱一定范圍（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。垃圾運輸車完成當天任務，返回停車處，工作人員 上傳數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡中心，并且清空車載設備記錄。 

網(wǎng)絡中心收到數(shù)據(jù)后對聲音進行處理，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)絡中心獲取關于食品類的數(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)新應用， 是推進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、傳感器應用等物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術，這些技術的應用是推 進社會進步的重要力量。我們提出的基于大數(shù)據(jù)的垃圾統(tǒng)計 和應用系統(tǒng)對發(fā)展經(jīng)濟、關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和更人性化的設計。