杨曾辉
(陕西理工大学 电工电子实验中心,陕西 汉中 723001)
社会急速发展,人民精神文明随之提高,环境保护意识日趋强烈。2019年7月1日,《上海市生活垃圾管理条例》正式实行,成为2019年国民关注度最高的话题之一,全国各地各级政府也纷纷出台了关于新形势下的垃圾分类、运输、处理等改良型政策,得到了社会各界的广泛讨论。传统的垃圾运输、处理方式存在大量不可控因素,依赖大量劳动工具以及劳动力,导致人力、物力以及经济资源的浪费。如何全面、高效采集城市垃圾及运输系统的信息,是现代化城市管理发展的重要课题[1]。随着物联网、大数据、云计算、GPS/北斗定位等技术的高速发展[2-4],本文研究、探索将智能化技术同垃圾运输、处理系统进行深度融合[5],以提升现代化城市垃圾处理系统的发展,不但能够有效优化如今城市垃圾处理的老旧模式,大幅度提升城市垃圾处理效率,还能促进环境改善、城市环保管理水平以及提高社会经济效益。
(1)设计智能垃圾箱,可实时进行容量预警、监测重量、位置信息,并可通过无线网络数据传输将该信息发送至云端服务器。其中,云端与环卫调度中心保持信息数据同步。(2)智能垃圾箱、分类运输车辆、分类垃圾处理集散点配置GPS/北斗定位系统及相应软件,环卫调度中心可实时监测其具体位置,与云端数据相结合,配合分类运输车辆、分类垃圾处理集散地进行路线与目的地规划。(3)利用新浪云提供的云计算服务完成云端网络和数据库[6-8],使云端服务链接至微信公众平台[9],分类垃圾运输车驾驶员、公众可从公众号进入系统以观测实时信息。同时,与GPS/北斗定位系统相结合,不同种类垃圾运输车辆与环卫调度中心即可获知对应分类垃圾箱、分类垃圾处理集散点的采集信息,从而根据实际情况来确定最佳的垃圾收集方式、路线及目的地。公众可从微信公众号获知各分类垃圾箱的实时信息、分类运输车动态以及垃圾去向动态。
城市垃圾分类投放至相应的智能垃圾箱,由智能垃圾箱进行信息采集,容量超过一定限度后进行容量预警,同时,将重量、位置、唯一编号信息上传至云端服务器,信息与环卫调度中心同步。分类垃圾运输车驾驶员通过微信公众号进入信息库,获取需前往收集的城市垃圾箱信息,与环卫调度中心的卫星定位系统配合以保证可靠性,规划最佳路线。各分类处理集散点将定位、收纳容量、处理信息上传至环卫调度中心,并同步到云端服务器,由运输车驾驶员与环卫调度中心配合规划最终目的地。公众可通过微信公众号获取城市各垃圾箱实时信息、分类垃圾运输车实时信息以及垃圾分类处理去向实时信息。系统示意如图1所示。
图1 系统示意
总体方案功能:(1)智能垃圾箱内置料位传感器、重量传感器、WiFi模块、GPRS模块、GPS/北斗定位模块及信号处理、微控制器模块。将容量预警、重量、编号、位置信息上传至云端,并建立网络数据库,信息与环卫调度中心同步。同时,将信息以微信公众号方式推送至公众,其具体定位通过GPS/北斗定位模块实现。(2)分类运输车通过微信公众号信息、环卫调度中心系统信息、垃圾箱卫星定位以及各垃圾处理集散点卫星定位、容量信息,规划路线、目的地。(3)垃圾处理集散点将信息实时上传至环卫调度中心,与云端同步,循环将所需信息利用微信公众号推送至分类运输车、公众。总体方案功能如图2所示。
图2 总体方案功能示意
在分类垃圾箱以及垃圾集散点设置料位传感器以及重量传感器。当垃圾容量达到预警值,传感器将发送容量信息、重量信息上传至云端,并与环卫调度中心同步。智能垃圾箱内置GPS模块或北斗定位模块,并有唯一编号、分类垃圾车驾驶员可从微信公众号进入系统观测智能垃圾箱位置,并合理安排收集路线,调度中心也可观测智能垃圾箱位置。
3.2.1 垃圾箱容量信息采集
(1)料位传感器选型:垃圾箱内环境极为复杂,箱内的环境成分会对多数传感器造成信号干扰。因此,选用超声波接近开关,可检测到2.5 cm~10 m内的任何物体,可进行液位测量、高度测量、距离测量以及装瓶计数。各种不同特性的物体都可检测,包括固体、液体、粉末以及透明物体,检测被检物体时与其表面的性质无关。以上工作特点与垃圾箱内环境十分契合,因而,本系统选用超声波接近开关方案。超声波接近开关原理示意如图3所示。将超声波接近开关置于智能垃圾箱盖处,预警距离设为L,L根据具体容量而定,当反射物(垃圾)与箱盖的距离小于或等于L时,接近开关即输出电压信号。
图3 超声波接近开关原理示意
(2)重量传感器选型:常见的重量传感器有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电阻应变式称重传感器结构较简单,准确度高,适用面广,能够在复杂的环境下使用,且其规格范围小到几百克大到几百吨。因而,本系统采用电阻应变式称重传感器,如图4所示。
3.2.2 信号处理模块
传感器采集信息,将预警信息转换为电压信号后,送往信号处理模块及控制器,发送容量预警指令给通信模块,同时,将重量信息、位置信息、编号信息一起发送至云服务器,再回传至分类垃圾车以及环卫调度中心。考虑到断网等突发情况,通信模块采用WiFi模块与GPRS模块相结合的方式,以保证可靠性。当分类运输车辆赶往,并处理完该处对应分类垃圾箱后,垃圾容量低于警告限值,该处料位传感器停止向云端发送预警信息;当运输车辆收集满时,也可通过微信公众号查询尚有收集容量的垃圾处理处进行垃圾释放。
图4 电阻应变式称重传感器
3.2.3 智能垃圾箱定位
通过给智能垃圾箱装置GPS模块或者北斗定位模块及相应软件,对该垃圾箱进行唯一编号,分类垃圾运输车和环卫调度中心可实时查询其具体位置,方便合理设计运输路线。
驾驶员、公众通过微信公众号进入系统,获知实时城市垃圾系统信息,此信息与环卫调度中心同步。所有运输车、垃圾箱、垃圾处理集散点都安置GPS/北斗定位系统,环卫调度中心可实时获知其具体位置以进行调度,两种方式相结合,以确保分类垃圾运输工作规划的可靠性。
分类垃圾集散点信息系统类似智能垃圾箱方案,设施顶部盖处设置超声波接近开关以预警垃圾收集量,警告限值根据分类垃圾集散点设施的容量而定。当垃圾容量达到预警值,传感器将发送容量预警信息上传至云端并与环卫调度中心信息同步。
利用微信公众号以及已具备可开发式服务功能的云端服务,设计公众号获取信息格式,最终使分类垃圾运输车驾驶员、公众可获得各有唯一编号的智能垃圾箱、垃圾集散点的微信公众号信息,包括智能垃圾箱垃圾容量、垃圾重量、具体位置信息以及分类投放去向信息。同时,云端建立网络数据库,与环卫调度中心信息同步。
本系统配合国家垃圾分类政策,将物联网技术、GPS/北斗定位技术、云服务技术、传感器技术、微信公众号技术与城市环保管理深度融合,实现智慧城市的目标建设;同时,使得公众通过网络生活工具参与到城市环保管理中,更有利于环保政策的推广和落实。