物联网技术在城市垃圾清运监管系统中的应用研究

冯向阳　岳松波　曾　曦　苏厚勤

1(东华大学计算机科学与技术学院　上海 200051)2(上海陆杰电子科技有限公司　上海 201316)



物联网技术在城市垃圾清运监管系统中的应用研究

冯向阳1岳松波1曾曦2苏厚勤1

1(东华大学计算机科学与技术学院上海 200051)2(上海陆杰电子科技有限公司上海 201316)

摘要大型城市垃圾清运监管和费用收入清算是一种综合性技术集成应用系统，随着城市规模不断拓展这种应用需求显得更为迫切。基于物联网和计算机信息化管理应用技术，根据大型城市垃圾清运监管和费用清算的实际需求，设计和描述一种采用RFID射频、无线通信和嵌入式系统等应用技术，结合B/S构架应用模式的城市垃圾运输车辆智能监管系统的软件构架，包括该系统的构架模式、功能分解和软件模块结构。实际应用表明，该系统运行可靠、安全、易修改，达到了设计预期目标。

关键词垃圾清运物联网车载称重传感器射频识别通用分组无线服务地理信息系统监管系统

0引言

城市垃圾是指城市及乡镇居民在日常生活和其他活动中产生的废弃物质，包括可回收物、大件垃圾、厨余垃圾、可堆肥垃圾、有毒有害垃圾、其他垃圾等。垃圾收集运输环节作为连接垃圾产生和末端处理之间的重要环节，耗资大，操作过程复杂，已经成为当前城市垃圾处理过程中的薄弱环节[1]。目前，城市垃圾清运工作虽然取得了一定的进展，但仍存在很多问题，如缺少对垃圾运输车辆的实时监控、缺少对垃圾源和垃圾流向的监控、监控覆盖范围小等。如何利用信息化手段，实现对城市垃圾运输车辆的智能监管，对垃圾清运体系进行精细化管理，从而更高效地清运垃圾，越来越受到各级政府部门的重视和社会各界的关注。

目前大多数城市垃圾清运体系方面监管系统的设计和应用水平仍与理想的监管效果存在较大的差距。尚利堃[2]等人提出了基于地理信息系统GIS和物联网IOT技术的多部门协同式餐厨垃圾管理系统。该系统使用GIS与物联网技术，虽然实现了对餐饮部门餐厨垃圾清运环节的监控，但因其主要针对餐饮部门，对居民生活垃圾不具一般性。李祥[3]利用红外感应技术采集垃圾信息，实现了对再生资源的分类收集、分类运输、分类处理全程信息化监控与管理，但该系统侧重于对垃圾产生源垃圾分类的监控，无法实现对垃圾清运环节的有效监控。

物联网技术具有全面感知、实时传递物品信息、智能化控制等特点，运用到城市垃圾清运监管系统中，可以实现对垃圾运输车辆、垃圾产生源和垃圾处理等信息的实时采集和监控，方便管理和控制。本文设计和开发的城市垃圾清运监管系统，采用了IOT、射频识别RFID、Zigbee、通用分组无线服务GPRS和GIS等技术，实现对垃圾源头垃圾分类、清运、垃圾运输车辆运输过程以及垃圾焚烧站点的全程监管。大大节约了监管成本，有效提高了城市垃圾的清运效率，在实际应用中取得了很好的效果。

1系统和相关技术概述

本文描述的城市垃圾清运监管系统，在数据采集端和数据无线传输方面充分采用了IOT的相关技术予以设计和实现。系统由嵌入式车载装置、射频识别电子标签RFIDET(electronic tag of RFID)、射频识别电子标签读写器ETR/Wer(read and writer of RFIDET)、Zigbee、GPRS和计算机信息化管理等相关技术和研发的产品等组成。

物联网的出现，使得智能化识别、定位、跟踪、监控和信息化管理的实践与开发成为电子商务第三次浪潮的一个重要应用标志[4]。

RFID是一种无线通信调制解调应用技术。该技术的应用，不需要在附着RFIDET标的物和ETR/Wer之间通过机械或光学接触完成相关数据的读写。对于无源RFIET应用，RFIDET能够直接把ETR/Wer发射的无线电信号通过调制解调方式完成RFIDET和ETR/Wer的相互认证、实现相关数据交换，从而完成对附着RFIDET标的物的识别和读写相关数据[5]。在本系统中，手持ETR/Wer与车载装置的数据交互采用Zigbee技术及其协议完成。在车载装置中设有数据采集单元、数据缓存单元，显示单元和通信单元等模块组成，能够根据预设参数，采集手持ETR/Wer的识别数据、车载称重传感器的数据和把数据缓存单元中的最新数据通过GPRS技术发送到智能监管系统的后台管理系统。

GPRS技术是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS充分利用现有的无线网络，具有资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等优点。在物联网环境下，通常需要使用无线网络进行数据传输。

GIS是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机信息系统。本智能监管系统通过获取车载装置的经纬度位置信息，显示其在地图上的位置。目前有许多开源的Web地图提供GIS服务，如本智能监管系统使用的百度地图。垃圾运输车辆上安装的嵌入式车载装置，除采集车载垃圾动态称重量数据和存储相关数据外，还具有采集和交互ETR/Wer相关数据的能力，会通过GPRS技术定期发送车载装置的状态数据和所采集的相关数据信息给后台管理系统。后台管理系统接收到这些数据后，能够获取车载装置的经纬度位置数据，然后调用百度地图实时定位车辆信息。

物联网技术能够有效解决城市发展中遇到的问题。对于城市中庞大的感知信息，通过充分运用RFIDET、ETR/Wer、车载称重传感器、嵌入式车载装置、Zigbee和GPRS通信技术手段等感测、采集、整合和分析城市垃圾运输车运输辆和处理过程中的各项关键信息。有效地将各种技术及其应用集中于一个系统，支持相关OLTP、OLAP、BI和辅助决策的有效应用，从而对民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出更科学、更智能化的响应[6,7]。

2系统总体设计

2.1系统实现目标

利用信息技术对城市垃圾的源头清运、垃圾运输车辆的运输过程和垃圾焚烧站点实现数字信息化全程监管，能够有效提高垃圾清运的监管效果和合理分摊清运费用。系统需实现的目标包括：① 实现对车队、街道、作业点等信息的数据采集和管理。② 实现对RFIDET、手持ETR/Wer、嵌入式车载装置的应用管理，包括RFIDET、手持ETR/Wer和车载装置的初始化、注册登记、安全认证模块SAM(security authentication module)和车载装置与车辆的绑定、解除绑定和更改绑定等应用管理。③ 实现对垃圾运输车辆清运交易的监控，详细采集和记录清运开始时间、结束时间、开始载重量、运输过程中载重量动态变化、结束载重量、作业点地址、作业人员等信息。采用GPRS技术把车载装置获取和缓存的数据信息按预设参数要求实时传输给后台管理系统。对垃圾运输车辆进行实时定位，跟踪垃圾运输车辆运行轨迹、实时显示垃圾运输车辆位置信息以及车辆运行状态和当前载重等信息，支持车辆路线定义，支持车辆调配。④ 实现对交易数据的报表查询，提供系统交易详细信息和聚合信息，为环保部门的运输处理费用合理分配和辅助决策提供充分、有效的科学依据。

城市垃圾清运监管系统的总体应用目标是实现环卫部门以及车队管理人员对垃圾运输车辆清运交易的实时监控、费用分摊、统计报表和辅助决策等应用功能。

2.2系统应用功能

根据系统应用需求和欲实现的总体应用目标，本智能监管系统的用户主要包括：系统管理员、车队(运输公司)、政府部门(市环卫局、区环卫局)和街道(垃圾源头)。其中系统管理员具有最高权限，可以做任何操作，包括用户管理、数据管理、系统管理等；车队用户有权限查看车辆的监控信息和车辆清运交易的报表以及管理与自己相关的数据；政府部门有权限查看车辆监控信息以及车辆清运交易报表；街道用户有权限查看其所在街道的垃圾清运报表。图1为该系统后台管理主要功能模块的分解视图。

图1　系统后台管理主要功能模块分解视图

整个系统主要由下述十三个功能模块组成，各模块的具体功能概述如下：

1) 系统管理模块SYS，提供系统关键日志、配置信息、系统日常作业、系统备份、数据清理、系统后台控制等方面的管理功能。

2) 设备管理模块EMM，对所有垃圾箱房和小压站的RFIDET进行登记管理，同时提供车载装置的管理，如设备ID初始化、车载装置与车辆的绑定等。

3) 安全管理模块SEC，提供对数据的加密处理功能，如CA(Certificate Authority)秘钥管理、设备秘钥管理、设备认证管理、消息文件签名加密、消息文件解密等。

4) 数据通信模块DCM，由两个功能子模块组成，分别支持zigbee和GPRS协议。

5) 设备通信模块ECM，负责后台管理系统与设备之间的连接管理、FTP管理以及消息队列的存储和转发等。

6) 数据采集处理模块DCP，从ECM获取数据，负责交易数据和状态数据的解析和入库、数据离线传输、不可丢失数据的自动检查和恢复等。

7) 数据管理模块DMM，由三个功能子模块组成。

8) 基础数据管理模块SDM，负责管理系统基础数据，如用户、车队车辆、街道小区、垃圾房小压站等基础数据。

9) 参数管理模块CDM，为系统运作提供一系列版本化的可靠参数，并对各参数的创建、分发、激活、实施进行控制等。

10) 数据库管理模块DBM，负责与数据库相关的业务操作功能，如数据库备份、恢复、归档、日志清理、监控等。

11) 车辆监控模块SUP，提供对垃圾运输车辆的状态信息、运行数据、GIS地理位置信息服务等功能。通过车辆车载装置传输的经纬度信息，调用GIS接口，在地图上实时显示车辆的位置与状态信息。

12) 报表功能模块REP，提供数据报表服务，如车辆装载量统计日报、车辆装载量统计月报、车辆装载量统计年报、车辆环比清运月报表、车辆同比清运月报表等。

13) 用户界面模块WEB，调用SDM、SUP、REP、CDM、DBM、SYS等功能模块，为用户提供可视化服务等功能。

2.3系统的构架模式

软件系统的构架模式是部署、运行软件系统的参考模型。它的设计与实现在很大程度上隐含了软件系统的相关质量属性，如可用性、性能、安全性、可修改性。可测试性和易用性等[8]。设计与实现本系统的构架模式如图2所示。

图2　系统的构架模式视图

系统的构架模式主要由两层组成：

(1) 设备层，该层又可划分为车载设备和后台设备两部分。

• 车载设备VEM。它指安装在车辆上的嵌入式车载称重和信息采集装置。垃圾采集源包括垃圾房、小压站和放水点等。车载设备的应用功能是通过传感器自动采集车辆载重数据和车辆位置等相关信息，并与后台管理系统进行数据交互。车载设备包含数据存储、通信单元和采集单元等嵌入式模块。采集单元主要负责接收传感器传递的称重数据。通信单元具有两方面技术背景的通信传输能力：① 基于Zigbee协议与手持ETR/Wer交互数据，采集ETR/Wer认证和读入RFIDET的相关数据；② 根据预设的通信传输参数，把采集和缓存在数据存储单元的最新数据封装成GPRS分组消息包发送给后台管理系统。数据存储主要负责存储称重和状态信息，可以用于回溯和要求二次发送相关数据。

• 后台设备。该设备安装在后台管理系统机房，主要完成对RFIDET、ETR/Wer和车载设备等装置的初始化工作。后台初始化设备带有标签打印机，可打印RFIDET卡，用于标识垃圾桶型号、生产厂家、管理单位、垃圾种类等信息。每张RFIDET卡上均贴有RFIDET，RFIDET卡被安装在各个垃圾房、焚烧站等作业点。操作人员通过手持ETR/Wer非接触读写RFIDET，将RFIDET的相关识别信息传送给车载装置，经车载装置通过GPRS网络将信息传送到后台管理系统。

(2) 后台管理系统层主要由一系列服务器、工作站和Web客户端等组成，用于提供对设备层的监控、管理和数据采集等功能，并把采集到的数据以界面和报表的形式显示给最终用户。其中：① 数据备份服务器用于提供整个系统的数据备份方案，包括系统、数据库和文件等级别的备份。数据备份服务器还用于控制外部存储设备，例如磁带机的写入写出等。② 前置通信服务器用于对前端数据进行采集和处理。③ 对外通信服务器用于对外部系统数据进行采集和处理。④ 数据库服务器用于整个系统的数据库存储管理。⑤ 系统操作工作站用于C/S模式下的系统操作。⑥ CA证书中心用于对整个系统安全密钥进行管理以及证书的颁发。⑦ 监控工作站对C/S模式下的系统的运行状态实行监控。⑧ 网络管理工作站对网络的运行状态进行监管，并可监控各服务器的运行情况，如CPU、内存状态等。⑨ 网络客户群通过Internet网络接入，提供网络上的客户端操作和访问等功能。

2.4数据接口

整个系统主要分为设备层与系统的后台管理层。后台管理系统和车载设备层之间的实时数据交互采用基于TCP/IP协议的GPRS通信方式实现。交互数据包括：交易数据、车载设备状态数据和控制数据。后台管理系统层和后台设备层之间的非实时数据传输基于FTP协议实现，主要包括参数数据等。车载设备层主要负责交易数据上传和车载设备状态数据上传，后台管理系统层负责发送控制命令和参数数据。后台管理层与车载设备层之间交互数据的接口类型如图3所示。

图3　后台管理层与车载设备层之间交互数据类型示意图

2.5软件结构

整个后台管理系统基于B/S的构架模式实现，应用软件系统采用模块化设计，每个模块具有特定应用功能的子系统组成。同时，本系统还是一个基于SOA的系统，采用了面向服务的体系结构。各个模块都可作为单独的服务部署在不同的服务器上，模块之间通过接口相互调用。从而降低了系统的耦合度，增加了系统的灵活性。同时，由于各模块采用分布式部署，可以很容易的构建服务器集群，大大提升了后台管理系统的故障应急和负载平衡能力。后台管理系统的软件模块结构视图如图4所示。

图4　后台管理系统软件模块的结构视图

按照逻辑划分，后台管理系统可分为以下几层：

• 通信传输层：主要通过ECM模块来实现，负责与设备和外部系统进行通信。ECM和与SEC、DCP和SUP等通过接口相连接。SEC主要负责对请求连接的设备进行校验。ECM有一个消息分发的映射，通过这个映射关系，程序将相应消息分发给相应模块进行处理。其中，DCP主要负责接收处理交易数据，SUP负责接收处理状态数据。

• 业务处理层：主要通过模块SEC、SYS、SUP和DCP等来实现。业务层被嵌套在各个子模块中间，用于提供一些业务服务等功能。其中，SEC主要提供秘钥管理、设备连接验证等功能的接口；SYS主要提供系统的一些运行信息接口，供其他模块调用；SUP模块主要提供设备实时状态信息接口；DCP模块通过调用ECM接口向设备推送命令消息，同时提供接口供ECM调用。

• 数据持久层：主要通过模块DBM、CDM和SDM来实现。其中，DBM模块安装在数据库服务器上，负责数据库的管理、备份、恢复等功能，同时提供接口供其他模块调用；CDM模块通过调用ECM模块的接口向设备下发参数； SDM模块调用SEC模块接口，用于生成设备秘钥，同时调用DBM接口将IC卡、设备等初始化信息写入数据库。

• 表示层：指工作站和Web客户端的前端展示。表现层的实现模块包括REP(报表)、EMM(C/S界面)和WEB(Web界面)等。其中，REP模块主要调用DBM模块接口，展示报表信息；EMM模块主要调用SDM接口，用于展示IC卡、设备等初始化操作的界面；WEB是系统的主界面，通过调用REP、SUP、SDM、CDM、DBM、SYS等模块接口，向用户展示报表、设备状态、初始化信息、参数信息、交易信息、系统信息等各类信息。

3应用示例

目前该系统已在上海市部分地区使用，并在实践中取得了很好的效果。部分垃圾运载量环比统计数据如表1所示。用户可通过该系统查看某车辆清运垃圾总量的环比增长幅度，这为实现垃圾减量化提供了参考依据。在此之前，要实现对垃圾清运重量的统计和对比，需要每天人工记录载重量，然后再录入EXCEL，到月底进行统计对比，不仅工作量大、效率低而且数据也并不精确。通过该系统可将每天每一笔作业数据实时记录下来，并自动生成每月的环比增长报表，不仅节约了时间提高了效率，准确率也大大提高。

表1　车辆环比清运报表

图5展示的是车辆监控模块的功能。该模块采用GIS技术，可以实时刷新车辆的最新位置，当用户点击车辆时，可以查看到车辆的当前位置、载重量以及设备状态等信息。该模块还可以显示该车辆的历史轨迹，用户可查看到车辆的运输行程。此前的垃圾运输车辆无法进行实时监控，一旦车辆中途出现故障也难以快速应对。该系统可实现车辆招援功能，即在车辆出现不能按照计划完成任务时，车载设备可发送招援请求，由后台管理系统操作人员发送指令，临时指派其他车辆继续完成任务。实践证明，该系统能够实现对垃圾运输车辆的实时监控，大大节约了监管成本。

图5　车辆位置信息

4结语

本文针对城市垃圾的清运监管和费用清算等应用目标，基于物联网应用技术，描述了一种采用RFID射频技术、无线通信技术、嵌入式系统技术和混合C/S、B/S构架模式的城市垃圾运输车辆智能监管系统的软件构架设计[8]。涉及该系统软件构架的构架模式、功能划分和软件结构，并给出部份应用实例。

该系统被部署运行后的实际证明，系统运行可靠、安全、易修改，达到了设计目标，为城市垃圾清运监管和费用分摊清算取得显著的社会和经济效益。

参考文献

[1] 余宁.物联网技术在垃圾收运监管体系中的应用[J].环境工程,2013,31(4):130-132.

[2] 尚利堃,杜明义,靖常峰,等.基于GIS和物联网的多部门协同式餐厨垃圾管理[J].智能处理与应用,2013(5):73-75.

[3] 李祥.基于物联网技术的再生资源管理信息平台研究[J].现代情报,2011,31(12):2406-2413.

[4] Gary P Schneider.电子商务(E-Business, China Student Edition,Tenth Edition)[M].机械工业出版社,2013.

[5] 王桌人,王峰.智能卡大全-智能卡的结构、功能、应用[M].电子工业出版社,2002.

[6] 郭娟,贺文智,吴文庆,等.物联网技术在城市生活垃圾收运系统中的应用[J].环境管理,2013,39(1):45-49.

[7] 张学锋.基于物联网技术的渣土车智能监控系统设计与实现[J].软件产业与工程,2010,6(1):16-21.

[8] Len Bass,Rick Kazman,Paul Clements.软件构架实践[M].车立红,译.清华大学出版社,2004.

ON APPLICATION OF IOT TECHNOLOGY IN URBAN WASTE COLLECTION SUPERVISION SYSTEM

Feng Xiangyang1Yue Songbo1Zeng Xi2Su Houqin1

1(SchoolofComputerScienceandTechnology,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)2(ShanghaiLujieElectronicScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201316,China)

AbstractSupervision of waste collection and liquidation of fee income in metropolises is an integrated application system of comprehensive technologies, such application requirement becomes more pressing along with the constant expansion of city scale. Based on Internet of Things and applied technology of computer informatisation management, and according to the practical requirement of metropolises waste collection supervision and fee liquidation, we designed and described a software architecture of intelligent supervision system for urban garbage transport vehicles, which employs the application technologies such as RFID frequency, wireless communication and embedded system, and combines B/S architecture application pattern, including the architecture pattern, the function decomposition and software module structure. Practical application indicated that the system operated reliably, safely and was easy to be modified, and achieved the expected target of design.

KeywordsWaste collectionInternet of ThingsVehicular weighing sensorRFIDGPRSGISSupervision system

收稿日期：2014-11-17。冯向阳，副教授，主研领域：智能分析系统，计算机应用技术。岳松波，硕士生。曾曦，高工。苏厚勤，教授级高工。

中图分类号TP3

文献标识码A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.05.023