基于大数据的垃圾统计和应用系统

马长江　张耕源　刘书垚　张佳欣　杨扬

摘要：大数据垃圾统计应用系统主要分为数据采集模块和数据处理模块。数据采集模块以智能垃圾箱为基本单元，主要采用STM32系列芯片作为主控制器，利用压力和声音传感器采集和存储垃圾的重量、数量、种类等信息。数据采集完成后，通过ZigBee无线通信技术将数据发送到垃圾车上的接收终端设备，最后返回处理中心。数据处理基于分布式数据库的大数据处理系统完成信息的分析和处理，并通过方言分析、关键词匹配、数据分类和数学建模等方式提供给用户。

关键词：智能垃圾箱;STM32;ZigBee;数据采集;大数据;云计算

引言

近年来，中国城市化进程加快，城市数量和规模不断扩大。然而，由于环保基础设施的严重滞后，城市垃圾对城市生态环境的污染越来越严重。目前，中国每年产生近10亿吨城市垃圾，年均增长率约10%。截至2020年底，中国共产生城市固体废物17899万吨，清除城市固体废物17677万吨，处理城市固体废物16681万吨。因此，结合物联网技术，我们尝试提出一个基于大数据的垃圾统计与应用系统，探索垃圾中蕴含的信息价值。

1 系统层次

大数据的垃圾统计和应用系统采用物联网架构体系，从感知层、网络层和应用层进行系统设计

（1）感知层以智能垃圾箱为基本单位，利用压力、声音传感器采集垃圾重量、数量（一个统计周期内某种垃圾被投放的次数）和种类信息并存储。

（2）网络层利用ZigBee技术将采集到的数据发送到垃圾运输车上的终端接收设备，最后回传给处理中心。

（3）应用层主要依赖大数据处理系统，通过方言分析、关键词匹配、数据分类和数学建模等处理，完成对信息的分析加工并提供给不同的使用者。

2 系统各模块详细设计

2.1 智能垃圾箱与数据采集

智能垃圾箱主要由传感、通信、处理、存储四个模块组成。感测模块包括压力感测和声音感测。垃圾箱顶部有四块尺寸为50 mm×50 mm 5 V、200 Ma的太阳能电池板，用于为控制系统供电。顶部四边倾斜一定角度，有利于电池组在雨天接受阳光和排水。基本部分是控制系统的主体。垃圾桶微处理器芯片采用高性能STM32单片机，内置数模转换功能，可实现声音采集和存储[4]。通信模块选用ZigBee技术。备用电流为微安，传输电流为毫安，最大通信距离为100m。它具有成本低、功耗低的优点。存储介质采用SD卡，具有价格低、不易失性的特点。

压力开关采用踏板模式。当人们将垃圾扔进垃圾箱时，用脚触发垃圾箱的压力开关，启动处理系统。处理系统将监测声音（用于识别废物类型）。当有声音时，存储声音数据并打开垃圾箱盖。扔完垃圾后，松开踏板，箱盖会在重力作用下掉落。系统检测并存储丢弃垃圾的重量，然后重置控制开关，最后系统切换到睡眠状态。在大数据垃圾统计应用系统中，语音控制只是一个开关。真正打开垃圾箱盖的能量来自人们的踏板。智能垃圾箱的三維模型。

2.2 数据通信

作为数据采集模块的一部分，垃圾车上的数据接收模块设计为硬件，可在工作期间安装在垃圾车上。考虑到能源消耗，决定按需使用。当即将达到目标范围时，驾驶员通过硬件上的开关发送信号。运输车辆有足够的时间从进入通信范围到离开传输数据。在运输车辆到达之前，垃圾箱的单片机系统一直处于低能休眠状态。垃圾箱与车载设备的具体通信过程如下：

（1）垃圾运输车在行进至距离垃圾箱20 m左右时，发送广播信号搜寻并激活附近设备。

（2）垃圾箱主系统接收到激活信号后立即被唤醒，发送应答信号。

（3）车载设备的通信模块与垃圾箱的通信模块进行一次握手，待握手成功后，形成稳定的通信链路，两者通过2.4 GHz的频段通信。

（4）发送垃圾箱信息并接收到车载设备的确认信号后，清空存储模块中的数据，向车载设备发送断开信号，进入睡眠状态。至此，垃圾箱与车载设备之间的信息交互过程结束。

2.3 数据处理

车载设备采集到相应区域的数据后，返回出发地点上传到网络中心，网络中心对采集到的原始数据进行云计算。声音数据处理依赖于分布式数据库。当地方言作为标准语音样本收集并存储在当地方言数据库中。返回实际数据时，将其与标准声音样本进行匹配，并选择匹配度最高的标准样本作为数据的最终结果。如果标准样本数据库中待识别语音的匹配度低于设定的匹配下限，则将数据传输到其他相似度最高的方言数据库。如果匹配度仍然不符合标准，则重复上述步骤，直到找到符合要求的标准样本或所有数据库仍然无法识别，然后将其丢弃。

3 结语

基于垃圾箱收集和统计数据不仅是物联网的创新应用，也是促进城市智能化的重要手段。它涉及云计算、大数据处理、传感器应用等物联网关键技术。这些技术的应用是推动社会进步的重要力量。我们提出的基于大数据的垃圾统计应用系统对于发展经济、关注民生具有一定的公益意义。但是，大数据垃圾统计及应用系统的实现还需要更成熟的技术和更人性化的设计。

参考文献

[1]中国报告大厅（www.chinabgao.com）.2015年我国垃圾处理行业发展现状分析[R].2015-07-13.

[2]吴功宜，吴英.物联网技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]赵书安.太阳能光伏发电及技术应用[M].南京：东南大学出版社，2011.

[4]刘鹏飞，刘云学.基于STM32的智能家居系统[J].光电技术应用，2013（3）：55-60.