基于大数据的垃圾统计和应用系统

0 引 言

近年来，我国城市化进程加快，城市数量和规模不断扩 大，但由于环境保护基础建设严重滞后，使得城市垃圾对城 市生态环境的污染日益严重。目前，我国每年产生近 10 亿吨 城市垃圾，且以年平均 10% 左右的速度增长。截止 2014 年底， 我国城市生活垃圾已产生17 899 万吨，清运 17 677 万吨，处 理 16 681 万吨 [1]。垃圾是一种放错了位置的资源，除了一般的 可回收利用外，其中还蕴含着丰富的信息，我们有必要对其加 以采集和利用。因此，结合物联网技术，我们尝试提出一种基 于大数据的垃圾统计和应用系统，用以发掘垃圾中蕴含的信息 价值。

1 系统层次框图 

本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 [2]。本系统的层次架构图如图 1 所示。

（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 

智能垃圾箱主要由感应、通信、处理、存储四大模块组 成，其中感应模块包括压力、声音感应两部分。垃圾箱顶部 有四块大小为 50 mm×50 mm 的 5 V，200 mA 的太阳能电池 板 [3]，为控制系统供电。顶部四面均倾斜一定角度，利于电池

组接收太阳光和雨天排水。

 可拆卸箱体下为底座和压力开关。底座部分为控制系统 的主体。垃圾箱的微处理芯片选择高性能的 STM32 单片机， 内置数模转化功能，可实现声音采集和存储功能 [4]。通信模 块选择 ZigBee 技术，待机电流为微安级，发射电流为毫安级， 通信范围最大为 100 m，具有低成本、低功耗等优势 [5]。本系 统对垃圾重量进行非精确统计，即精度要求不高，市面上绝 大部分压力传感器都能满足要求。存储介质采用 SD 卡，具有 价格低廉、非易失性等特点。

 压力开关采用脚踏方式。当人往垃圾箱投掷垃圾时，用 脚踏方式触发垃圾箱的压力开关，启动处理系统，处理系统 会监听是否有声音（用于识别垃圾种类），当有声音时便存储 声音数据并打开垃圾箱盖子。垃圾投掷完后，松开脚踏，箱 盖依靠重力落下，系统检测此次投掷的垃圾重量并存储，接 着控制开关复位，最后系统切换到休眠状态。在本系统中，声 音控制只起到开关的作用，真正打开垃圾箱盖子的能量来源于 人的脚踏。智能垃圾箱的 3D 模型如图 2 所示。

2.2 数据通信 

垃圾运输车上的数据接收模块作为数据采集模块的一部 分被设计成一种可挂载硬件，在工作时安装到运输车上。考虑 到能耗，决定采用随开随用的方式，即将要到达目标范围时， 司机通过开关开启硬件发送信号。运输车从进入通信范围到 离开，中间有充足的时间传输数据。在运输车到达之前，垃 圾箱单片机系统一直处于低能耗的休眠状态。垃圾箱与车载 设备之间的具体通信过程如下所示 ：

（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 [6]。 

（4）垃圾箱信息发送完毕并接收到车载设备的确认信号 后，将存储模块中的数据清空，同时向车载设备发送断开连 接的信号，并进入休眠状态。

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

 车载设备在获取相应区域内的数据后，返回发车处并将 数据上传到网络中心，网络中心对收集到的原始数据进行云计 算。声音数据处理依托分布式数据库 [7]。采集各地区方言存 入本地方言数据库 [8]，作为标准语音样本，当实际数据传回后 与标准声音样本匹配，选取匹配度最高的标准样本作为该数 据的最终结果。如果待识别声音在该标准样本库中匹配度低 于设置的匹配下限，则将数据传输给与自己相似度最高的其 他方言数据库，如果匹配度依然不达标则重复上述步骤，直 至找到符合要求的标准样本或者访问完所有数据库依然不能 识别则弃用。

声音样本匹配主要利用声音的相似性识别原理，将被识 别的声音数据与标准声音样本进行比对，从而得到目标声音 与标准声音的一致性判断 [9]。考虑到模拟信号识别的复杂性， 在本系统中使用声音数字识别技术，需要对被识别声音信号 进行量化，然后提取声音特征，最后通过对声音的特征匹配 得出结果。声音匹配过程如图 3 所示。

由声音数据可分析出垃圾的种类。垃圾的重量信息可由 压力传感器直接采集，且每个垃圾箱的地址唯一标识，因此 可以通过数学方法建立各区域在每个统计周期内的各种类型 垃圾投放量的预测模型。

 2.4 数据应用 

在网络中心，客户根据自己的需求获取相应的数据，通 过对数据进行深度分析以制定相应的计划和决策 [10]。例如政 府统计部门可以根据这些数据合理推断该地区的人口密度、 消费结构、供货需求等，以便政府了解居民的饮食习惯，评估 居民的生活水平和指导居民的生产生活等。卫生部门也可以据 此合理规划垃圾运输车的路线、车次，实现资源利用最大化。

如下所示为模拟整个系统的工作场景 ： 

某人通过脚踏方式触发垃圾箱工作，发声“白菜、苹果” 打开垃圾箱盖子完成投掷。垃圾箱接收到声音后，控制系统 将声音数据储存在 SD 卡中并进行测重，采集完数据后进入 休眠模式。垃圾运输车到达该垃圾箱一定范围（20 m 左右） 时和垃圾箱建立数据连接，完成数据传输后，垃圾箱被清空， 数据清零。垃圾运输车完成当天任务，返回停车处，工作人员 上传数据至网络中心，并且清空车载设备记录。 

网络中心收到数据后对声音进行处理，得到实际垃圾 的种类和重量数据。工作人员发现多日没有 1 号区域编号为 #CD666## 的垃圾箱数据，且 1 号区域垃圾明显增多，要求维 修人员维修并增派运输车到 1 号区域。 

物价局（用户）可在网络中心获取关于食品类的数据并分 析，发现 1 号区域蔬菜水果消费明显增多，于是考虑从 2 号区 域调控。

3 结 语

依托垃圾箱采集和统计数据是物联网的一个创新应用， 是推进城市智能化的重要手段。其中涉及到云计算、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 进社会进步的重要力量。我们提出的基于大数据的垃圾统计 和应用系统对发展经济、关注民生有一定的公益意义。但本系 统的实现还需要更成熟的技术和更人性化的设计。