基于物联网的垃圾收集与调度系统设计

秦延福　姚俊红　秦世玉　陈奇

摘要：随着城市化进程，人们生活水平的提高，城市中产生了越来越多的垃圾，城市垃圾桶布局不合理，清运方式自动化程度低，给生活带来了很多不便。本文章设计出一种智能多功能垃圾车，运用物联网技术，将它连接到后端服务器，由服务器统一调度，实现路面清扫与移动垃圾桶收集。服务器将根据不同路段合理设计出智能多功能垃圾车的行驶路线，垃圾桶清理不及时，地面垃圾清理难的问题得到有效解决，减少了人力成本，降低垃圾桶的投放数量。

Abstract： With the development of urbanization and the improvement of people's living standards， more and more garbage is produced in cities. The unreasonable arrangement of the garbage cans and the low automation level of the cleaning and transportation mode bring much inconvenience to people's life. This paper designed a kind of intelligent multifunctional garbage truck connected to the back-end server via the IoT technology and uniformly dispatched by the server so as to clean roads and collect mobile garbage cans. The server would design the driving route of the intelligent multifunctional garbage truck reasonably according to different road areas. In that case， the failure of timely garbage cleaning and the difficulty of ground garbage cleaning could be effectively resolved， which would help reduce the labor cost and the number of garbage cans.

关键词：垃圾收集;车辆调度;智慧城市;物联网

Key words： garbagecollection;vehicle dispatch;smart city;Internet of Things

0  引言

我国作为人口大国，每时每刻产生巨量垃圾，可对垃圾的清扫与回收我国与其它国家还有一定的差距。随着我国城市化进程的发展，城市每年产生的垃圾多达上亿吨[1]，垃圾的收集与处理面临巨大挑战。道路垃圾桶对于维护城市环境卫生和塑造城市形象起着很重要的作用。长期以来城市道路垃圾桶布局主要依据现有的城市规划标准和环境卫生设施规划规范，存在标准单一、操作上较为笼统的问题，对于不同城市功能区未制订出差异化的标准[2]。

本文设计出一种智能多功能垃圾车，以智能多功能垃圾车为依托能很好的解决城市中垃圾堆积与清理不及时的问题，以物联网为依托建设智慧城市，告别传统的垃圾收集方式，提高自动化程度。智能多功能垃圾车将垃圾桶与清扫车的完美结合与垃圾桶移动收集。它使得垃圾收集更加方便，使垃圾桶的投放数量减少，环卫工人不再需要定时清理，降低成本。

1  系统结构设计

智能多功能垃圾车由STM32单片机为主控制芯片，人体感应模块、定位模块、激光雷达为主要组成部分。系统的整体设计方案如图1所示，服务器用于设置垃圾车的行驶路线，可实现当人走近垃圾桶时，桶盖自动打开，投入垃圾后桶盖自动关闭，清洁卫生，避免异味传到空中。等待人走后，它将继续沿着设定的路线行驶。垃圾的重量或体积超过设定值时，信息将传到服务器用于重新设定路线，服务器計算出到垃圾站点的最短路径传回单片机。

本设计将是建设智慧城市的重要一部分，解决城市垃圾收集问题提出了一种解决办法，减少设置固定垃圾桶或不在设置固定垃圾桶，不会出现垃圾溢出垃圾桶而迟迟不能清扫运走的问题，或垃圾长时间存放在垃圾桶出现异味，这都影响着城市环境，影响着居民生活质量。

1.1 红外感应检测

红外感应用于当垃圾车在路线上行驶时，有人靠近来投垃圾，进入了人体感应模块的检测范围，模块将信号传回STM32单片机，垃圾车将停下来等待人来投放垃圾，垃圾桶盖旁边有光电传感器，人手放在上方时，桶盖将自动打开。

1.2 行驶路径设置

行驶路径有服务器作为最高级来设置，基于物联网，它将信息传给单片机。每个垃圾投放位置也都将在地图上标记，作为加权项用于重新优化垃圾车行驶路径，单片机根据路线自主行驶。

2  系统运行与算法

2.1 单片机主程序

STM32单片机运用keil 5软件编程，程序流程框图如图2所示。GPS+北斗双定位模块将不间断的将垃圾车位置信息上传到服务器，人进入其感应范围则输出高电平，单片机执行中断停车，光电模块检测到垃圾在桶盖上方时，单片机输出PWM到舵机，使舵机转动完成开盖动作，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平，继续按设定路线行驶。重量或体积传感器检测到超过设定值时，服务器将调用Dijkstra算法重新设置垃圾车的行驶路线，就近倒掉垃圾。

2.2 Dijkstra算法

Dijkstra算法是由计算机科学家Edsger W.Dijkstra在1956年提出的。Dijkstra算法使用了广度优先搜索解决赋权有向图或者无向图的单源最短路径问题，算法最终得到一个最短路径树[3]，Djkstra算法用来寻找图形中节点之间的最短路径。算法将根据垃圾车所在位置，对垃圾投放位置进行加权计算，对不同情况，既正常路线的设定与停靠最近的垃圾站等，计算出最优路径，对垃圾车进行统一的调度。

当垃圾桶满时服务器需要计算出到垃圾站的最短路径。Dijkstra算法将根据每个垃圾站的位置作为节点，遍历每个节点，假设节点分布如图3所示。首先设置两个集合——S、U集合，S集合记录最短路径的节点以及相关长度，U记录未求出最短路径的节点以及相关长度。选取F为垃圾车的位置，第一步：选取顶点F，S={F（0）}，U={A（3），E（5），D（8），B，（∞），C，（∞），D，（∞）}。第二步：选取顶点A，S={F，（0），A，（3）}，D={B，（9），E，（5），D，（8），C，（∞）}。第三步：选取顶点E，S={F，（0），A，（3），E，（5）}，D={B，（9），D，（8），C，（11）}。第四步：选取顶点D，S={F，（0），A，（3），E，（5），D，（8）}，D={B，（9），C，（11）}。第五步：选取顶点B，S={F，（0），A，（3），E，（5），D，（8），B，（9）}，D={C，（11）}。第六步：选取顶点C，S={F，（0），A，（3），E，（5），D，（8），B，（9），C，（11）}。依次遍历完所有的节点，选取出最佳路径。

3  核心硬件选择

3.1 主控制模块

采用STM32F429单片机作为主控计算机，实现数据采集，分析控制，与服务器的连接，接受服务器的最高级控制。STM32F429是ST研发的高性能微控制器，主频高，运算能力强;丰富的外设、强大的运算能力和适宜的价格使得它脱颖而出成为最终选择。运用在数据的采集，传输与运算中完成自主控制，相当于垃圾车的“大脑”。

3.2 人体红外感应模块

HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用LHI788探头设计、灵敏度高、可靠性强，低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备。主要是他反映速度快，有人靠近垃圾车时能很好的做出反映及时停车，感应距离可调，可适用于人流密集程度不同的地方。

3.3 定位模块

BH-ATGM332D是秉火设计的高性能、低功耗GPS+北斗双模定位模块。它采用中科微電子公司的ATGM332D-5N-31模组方案，可以通过串口向单片机系统和电脑输出GPS及北斗定位信息，使用简单方便。相较于其他模块更新速率更快，使后端服务器掌握每个垃圾车的位置信息更精确。

4  总结

智慧城市的建设离不开垃圾的快速收集处理，基于物联网基础设施的建设，改变传统的垃圾桶收集与人工清扫的方式。本文设计出一种新型垃圾收集处理车辆，智能多功能垃圾车将垃圾桶与清扫车结合，由后台服务器统一管理，提高垃圾收集效率，减少人力成本，提升居民生活质量提出了一种很好的解决办法。

参考文献：

[1]张妍妍.我国垃圾分类回收现状分析[J].商情，2018（33）：125.

[2]宗会明.基于城市功能区的道路垃圾桶布局研究——以重庆市北倍城区为例[J].西南大学学报，2014（10）：124-129.

[3]王晋.基于低频浮动车数据的道路行驶时间估算与路径优化[D].长安大学，2018.