CN105467903A - 基于智能垃圾桶的网络管理系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种物联网技术领域的基于智能垃圾桶的网络管理系统，包括：智能垃圾桶和与之互连通信的信息交互平台；所述的智能垃圾桶包括：太阳能动力模块、控制模块、压缩装置、电源模块和伺服电机；所述的控制模块包括：单片机、人机交互模块、超声波测距模块、称重模块、GPS模块、GPRS模块、数据存储模块和伺服电机驱动器。本发明能够不受原有城市垃圾桶布局的限制，在垃圾桶智能化改造的基础上实现垃圾的自动压缩及高效清运的。

Description

基于智能垃圾桶的网络管理系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种物联网领域的技术，具体是一种基于智能垃圾桶的网络管理系统及其控制方法。

背景技术

城市垃圾的清运工作一直是城市环保方面的重要问题，现代城市生活垃圾的主要特点是数量多、体积大，但是相对密度低、可压缩性强。目前的城市垃圾桶管理方式效率低下，需要投入大量的人力与物力，给城市的垃圾清运工作带来巨大的负荷。

从根本上解决垃圾清运问题，首先需要控制垃圾的源头，而对垃圾桶中的垃圾进行压缩是一种可靠的处理方式；进而通过物联网实现对城市各角落垃圾桶的智能化、信息化和效率化管理，掌握各垃圾桶的垃圾装载信息以及需要清理的频率，形成网络化管理，能够有效地提高清洁工人的工作效率。

目前的智能垃圾桶虽然很多都具有垃圾压缩功能，但结构复杂、造价昂贵，不适合大规模推广应用，与此同时智能垃圾桶缺少有效的网络化管理，整体效率较低。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN105046403A，公开(公告)日2015.11.11，公开了一种小区智能垃圾桶的物联网管理系统，该系统包括：至少一个垃圾桶，每个垃圾桶上均设有传感器组件和信息接收传输模块，传感器组件与信息接收传输模块通信连接，能获取垃圾桶状态信息并经信息接收传输模块发送；管理服务器，设有信息接收模块，与各垃圾桶的信息接收传输模块通信连接，能接收各垃圾桶的信息接收传输模块发送的垃圾桶状态信息，根据垃圾桶状态信息给出各垃圾桶的实时状态的提示信息。该发明不具有垃圾压缩结构，因此不能有效提高垃圾桶的垃圾装载量；且信息的反馈未形成网络化管理，智能化以及效率化不够；另外传感器种类繁多，综合利用率不高，浪费资源，增加了单个垃圾桶的造价以及维修费用，不利于广泛推广使用。

中国专利文献号CN203877293U，公开(公告)日2014.10.15，公开一种太阳能自动压缩垃圾筒，包括：垃圾筒壳体及设置于内部的垃圾筒本体，所述垃圾筒壳体设有利用太阳能发电的能源驱动系统、带有剪叉机构的压缩装置及包含GPS定位模块及GPRS通信模块的控制系统。但是该实用新型没有对垃圾桶内垃圾装载量以及反馈的信息进行网络化管理，无法有效的降低垃圾清运工作中人力物力的投入，不利于城市物联网的构建。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于智能垃圾桶的网络管理系统及其控制方法，能够实现垃圾的自动压缩及高效清运。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明涉及一种基于智能垃圾桶的网络管理系统，包括：智能垃圾桶和与之互连通信的信息交互平台，其中：

所述的控制模块包括：单片机、人机交互模块、超声波测距模块、称重模块、GPS模块、GPRS模块、数据存储模块和伺服电机驱动器，其中：人机交互模块与单片机相连并传输控制信号，GPS模块与单片机相连并传输定位信号，超声波测距模块与单片机相连并传输垃圾高度信号，称重模块与单片机相连并传输垃圾重量信号，单片机与伺服电机驱动器相连并传输压缩装置驱动控制信号，数据存储模块与单片机相连并传输智能垃圾桶的状态信号，单片机与GPRS模块相连并传输无线电通信控制信号，GPRS模块与信息交互平台相连并传输智能垃圾桶工作信息，信息交互平台与GPRS模块相连并传输反馈控制信号，GPRS模块将反馈控制信号传输至单片机，单片机进行反馈控制。

所述的智能垃圾桶包括：太阳能动力模块、控制模块、压缩装置、电源模块和伺服电机，其中：太阳能动力模块分别与电源模块、伺服电机相连并为控制模块、压缩装置提供电能，控制模块与压缩装置相连并输出压缩控制信息，控制模块与信息交互平台相连并输出智能垃圾桶工作信息，信息交互平台通过其逻辑层根据智能垃圾桶工作信息进行智能垃圾桶工况判断和决策，并实现人机交互。

所述的信息交互平台包括：由上至下且上下层间能相互通信的表示层、逻辑层和数据层，其中：表示层为客户提供应用服务的图形界面；逻辑层封装了与智能垃圾桶网络管理关联的应用模型，将封装的模式呈现给客户应用程序，根据反映智能垃圾桶状态的数据进行事件判断，提供客户应用程序和数据服务之间的联系；数据层定义、维护、访问和更新数据，管理和满足应用服务对数据的请求。

所述智能垃圾桶工作信息包括：位置编号、剩余容量、压缩频率、能耗、单次压缩容量、单次压缩能耗、单次压缩垃圾重量、单日垃圾重量和单日垃圾桶能耗、单位能耗压缩质量和单位能耗工作时长。

本发明涉及上述系统的控制方法，包括以下步骤：

S₁，信息交互平台根据采集的智能垃圾桶工作信息，进行工况分析，将智能垃圾桶工况归入以下几个类别中：正常工作、需要压缩、等待清运、轻微故障或严重故障；

S₂，针对工况分析结果采取应对处理措施：如果为正常工作、需要压缩或轻微故障时，信息交互平台与控制模块通信，继续控制智能垃圾桶工作；如果为等待清运时，信息交互平台进行清运路径规划，并与控制模块通信，控制智能垃圾桶停止工作；如果为严重故障时，信息交互平台与控制模块通信，控制智能垃圾桶停止工作，避免造成其他部件的损坏；同时信息交互平台针对轻微故障或严重故障进行报修处理。

所述的工况分析是指采用自组织模糊神经网络算法根据历史样本数据建立工况分类模型，据此分析当前各智能垃圾桶的工况，包括以下步骤：

S₁₁，定义工况类型和历史样本数据对应的输出工况；定义历史样本数据中各变量的语言值等级，确定历史样本数据隶属度中心值和宽度值；

S₁₂，对历史样本数据进行标准化处理得到标准样本数据，计算标准样本数据的隶属度，利用标准样本数据及其隶属度、输出工况进行自组织模糊神经网络的竞争学习，得出模糊推理规则，即训练得到自组织模糊神经网络工况分类模型；

S₁₃，对于当前实时的每个智能垃圾桶工作信息数据进行模糊化处理，计算每个智能垃圾桶的输出工况，最后对输出工况进行去模糊化处理，从而判断各智能垃圾桶对应的工况。

所述的正常工作是指不需要触发压缩动作的状态；所述的需要压缩是指在达到智能垃圾桶容量、能耗的阈值需要压缩处理的状态；所述的轻微故障是指智能垃圾桶出现异常，但是不影响垃圾压缩处理的状态；所述的严重故障是指出现的故障影响到垃圾压缩处理，如果继续执行压缩可能会损坏其他部件的状态；所述的等待清运是指智能垃圾桶装载量达到阈值需要清运的状态。

技术效果

与现有技术相比，本发明基于传统垃圾桶优化改造的太阳能可压缩智能垃圾桶系统，将采集到的信息通过信息交互平台进行计算，避免单个智能垃圾桶设计的复杂性，而信息交互平台与大量的智能垃圾桶互连通信保证了工况分析模型的准确性，可以应用到展会、商场、景区、街道、工厂、小区等人口密集处，且不受原有垃圾桶布置的限制，提高清运效率，减少能耗。

附图说明

图1为本发明中智能垃圾桶及信息交互平台示意图；

图2为本发明中智能垃圾桶的压缩装置简图；

图3为本发明中控制模块结构图；

图4为本发明中信息交互平台的控制流程图；

图5为本发明中信息交互平台的功能框架图；

图6为本发明中信息交互平台的结构示意图；

图中：智能垃圾桶1、控制模块2、单片机21、人机交互模块22、键盘模块221、LCD显示模块222、超声波测距模块23、发射电路231、超声波发射探头232、超声波接受探头233、接受电路234、称重模块24、称重传感器241、放大器242、A/D转换器243、GPS模块25、GPRS模块26、数据存储模块27、伺服电机驱动器28、太阳能动力模块7、压缩装置5、电源模块8、伺服电机9、信息交互平台10。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括：智能垃圾桶1和与之互连通信的信息交互平台10；

如图1所示，所述的智能垃圾桶1包括：控制模块2、太阳能动力模块7、压缩装置5、电源模块8和伺服电机9，其中：太阳能动力模块7与电源模块8、伺服电机9相连并分别为控制模块2、压缩装置5提供电能，控制模块2与压缩装置5相连并输出压缩控制信息，控制模块2与信息交互平台10相连并输出智能垃圾桶工作信息，信息交互平台10通过其逻辑层根据智能垃圾桶工作信息进行智能垃圾桶工况判断和决策，并实现人机交互。

如图3所示，所述的控制模块2包括：单片机21、人机交互模块22、超声波测距模块23、称重模块24、GPS模块25、GPRS模块26、数据存储模块27和伺服电机驱动器28，其中：人机交互模块22与单片机21相连并传输控制信号，GPS模块25与单片机21相连并传输定位信号，超声波测距模块23与单片机21相连并传输垃圾高度信号，称重模块24与单片机21相连并传输垃圾重量信号，单片机21与伺服电机驱动器28相连并传输压缩装置驱动控制信号，数据存储模块27与单片机21相连并传输智能垃圾桶1的状态信号，单片机21与GPRS模块26相连并传输无线电通信控制信号，GPRS模块26与信息交互平台10相连并传输智能垃圾桶工作信息，信息交互平台10与GPRS模块26相连并传输反馈控制信号，GPRS模块26将反馈控制信号传输至单片机21，单片机10进行反馈控制。

所述的超声波测距模块23设置在智能垃圾桶内顶部包括：发射电路231、超声波发射探头232、超声波接受探头233和接受电路234，其中：单片机21的控制信号经发射电路231输出至超声波发射探头232，超声波发射探头232发出超声波，经超声波接受探头233捕获后由接受电路234进行检查，最后输出至单片机21进行分析，单片机21通过超声波信号发出和接收的两个脉冲时间差计算压板到垃圾顶面的距离，估计智能垃圾桶1的剩余容量。

所述的称重模块24包括：依次串联的称重传感器241、放大器242和A/D转换器243，其中：称重传感器241获得智能垃圾桶的应变变化信号，经放大器242放大信号和A/D转换器243模数转换处理，由单片机21估计智能垃圾桶中垃圾重量。

所述的人机交互模块22包括：键盘模块221和LCD显示模块222，其中：LCD显示模块222显示智能垃圾桶1的位置编号、容量百分比、电源状态等信息，工作人员通过键盘模块221进行智能垃圾桶1的日常维护。

所述的太阳能动力模块7包括：太阳能板71和蓄电池72，其中：太阳能板71与蓄电池72相连，蓄电池72与伺服电机9、电源模块8相连，为压缩装置5及控制装置2提供能量支持。

如图2所示，所述的压缩装置5包括：压板51和剪叉机构52，剪叉机构52一端与智能垃圾桶内顶部相连，一端与压板51相连；该结构不需要在桶壁开滑槽，节省了改造成本，同时可以保证下压过程压板51的稳定性，更有助于提升压缩力。

所述的伺服电机9采用PMW波形控制，单片机21根据压板51到垃圾的距离计算出压板51的位移，得到伺服电机9转动的角度，压缩过程执行完毕后，通过反向波形控制电机转动将压板51带回到初始位置。

如图5所示，所述的信息交互平台10包括：由上至下且上下层间能相互通信的表示层、逻辑层和数据层，其中：表示层为客户提供应用服务的图形界面；逻辑层封装了与智能垃圾桶网络管理关联的应用模型，将封装的模式呈现给客户应用程序，根据反映智能垃圾桶状态的数据进行事件判断，提供客户应用程序和数据服务之间的联系；数据层定义、维护、访问和更新数据，管理和满足应用服务对数据的请求。

所述的信息交互平台10对系统的各模块自定义对应的类，同时，将系统原有的三个类explorer1.cpp进行重定义，为自身所需要的功能自定义相应的方法；运用MFC做UI界面，在其中嵌套COM组件MicrosoftWebBrowser，进行HTML页面显示，页面中运用对BaiduMapJavaScriptAPI2.0进行二次开发，得到状态信息反馈的点云图。

所述的逻辑层包括：网络通信接口、服务器接口、智能控制方法、事件管理操作和本地、网络数据访问模块，其中：服务器接口、网络通信接口和本地数据库依次相连并传输所述智能垃圾桶工作信息，事件管理触发相应的事件操作后按照时间顺序将数据存储到本地数据库中，并在UI模块中的事件管理日志中呈现，智能控制方法实现前述的智能垃圾桶工况分类，本地、网络数据访问实现UI模块对本地数据库的直接访问与修改。

所述系统的控制方法，其具体实施过程如下：

S₁，信息交互平台10根据采集的智能垃圾桶工作信息，进行工况分析，将智能垃圾桶的工况归入以下几个类别中：

正常工作、需要压缩、轻微故障、严重故障或等待清运；所述的智能垃圾桶工作信息X包括：剩余容量X₁、压缩频率X₂、能耗X₃、单次压缩容量X₄、单次压缩能耗X₅、单次压缩垃圾重量X₆、单日垃圾重量X₇、单日垃圾桶能耗X₈、单位能耗压缩质量X₉和单位能耗工作时长X₁₀；

所述的工况分析是指采用自组织模糊神经网络算法根据采集的N个智能垃圾桶D天的历史样本工作信息建立工况分类模型，据此分析当前各智能垃圾桶的工况，包括以下步骤：

S₁₁，定义工况类型：正常工作u₁、需要压缩u₂、等待清运u₃、轻微故障u₄、严重故障u₅；采集得到历史样本数据X_n＝[X₁，X₂，X₃，X₄，X₅，X₆，X₇，X₈，X₉，X₁₀]^D，其中：X_n表示位置编号为n的智能垃圾桶D天的工作信息，对应的输出工况为Y_n＝y₁/u_i+y₂/u_j，i、j∈{1,2,3,4,5}，其中：y₁/u_i表示Y_n对于u_i的隶属度为y₁，y₁/u_j表示Y_n对于u_j的隶属度为y₂；设定X_n中各工作信息变量的语言值等级为三种：“较小”、“适中”和“较大”，则X_n的隶属度中心值和宽度值分别为m_k＝0.3k-0.1，σ_k＝0.4，其中：k＝1,2,3，宽度值表示各语言值等级的宽度；

S₁₂，计算标准样本数据的隶属度k＝1,2,3，其中：通过对X_n进行标准化处理后得到；利用f_nk和Y_n对自组织模糊神经网络进行竞争学习，得出模糊推理规则，即训练得到工况分类模型：u₁为[0，1.5)、u₂为[1.5，2.5)、u₃为[2.5，3.5)，u₄为[3.5，4.5)、u₅为[4.5，5.5)；

S₁₃，对于当前每个智能垃圾桶的工作信息数据X′进行模糊化处理，利用自组织模糊神经网络模型计算得到输出工况Y'，即Y'＝y₁'/u_i+y₂'/u_j，i、j∈{1,2,3,4,5}；对输出工况Y'进行去模糊化：Y_c'＝y₁'i+y₂'j，在工况分类模型的基础上进行分类，获得智能垃圾桶的工况；

S₂，针对工况分析结果采取应对处理措施：如得到输出工况Y'为0.7/u₁+0.3/u₂，去模糊化后为1.3，则垃圾桶工况为需要压缩，信息交互平台10与控制模块2通信，控制模块2控制压缩装置5压缩；如得到输出工况Y'为0.3/u₁+0.7/u₂，去模糊化后为1.7，则垃圾桶工况为需要压缩，信息交互平台10与控制模块2通信，控制模块2控制压缩装置5压缩；如得到输出工况Y'为0.1/u₁+0.9/u₃，去模糊化后为2.8，则垃圾桶工况为等待清运，信息交互平台10进行清运路径规划，并与控制模块2通信，控制智能垃圾桶停止工作；如得到输出工况Y'为0.1/u₃+0.9/u₄，去模糊化后为3.9，则垃圾桶工况为轻微故障，信息交互平台10进行报修处理；如得到输出工况Y'为0.5/u₄+0.5/u₅，去模糊化后为4.5，则垃圾桶工况为严重故障，信息交互平台10与控制模块2通信，控制模块2控制压缩装置5复位停止压缩，避免损坏其他部件，同时信息交互平台10进行报修处理。

Claims (4)

1.一种基于智能垃圾桶的网络管理系统，其特征在于包括：智能垃圾桶和与之互连通信的信息交互平台；

所述的信息交互平台包括：由上至下且上下层间能相互通信的表示层、逻辑层和数据层，其中：表示层为客户提供应用服务的图形界面；逻辑层封装了与智能垃圾桶网络管理关联的应用模型，将封装的模式呈现给客户应用程序，根据反映智能垃圾桶状态的数据进行事件判断，提供客户应用程序和数据服务之间的联系；数据层定义、维护、访问和更新数据，管理和满足应用服务对数据的请求；

所述的智能垃圾桶包括：太阳能动力模块、控制模块、压缩装置、电源模块和伺服电机，其中：太阳能动力模块分别与电源模块、伺服电机相连并为控制模块、压缩装置提供电能，控制模块与压缩装置相连并输出压缩控制信息，控制模块与信息交互平台相连并输出智能垃圾桶工作信息，信息交互平台通过其逻辑层根据智能垃圾桶工作信息进行智能垃圾桶工况判断和决策，并实现人机交互。

2.根据权利要求1所述的基于智能垃圾桶的网络管理系统，其特征是，所述的控制模块包括：单片机、人机交互模块、超声波测距模块、称重模块、GPS模块、GPRS模块、数据存储模块和伺服电机驱动器，其中：人机交互模块与单片机相连并传输控制信号，GPS模块与单片机相连并传输定位信号，超声波测距模块与单片机相连并传输垃圾高度信号，称重模块与单片机相连并传输垃圾重量信号，单片机与伺服电机驱动器相连并传输压缩装置驱动控制信号，数据存储模块与单片机相连并传输智能垃圾桶的状态信号，单片机与GPRS模块相连并传输无线电通信控制信号，GPRS模块与信息交互平台相连并传输智能垃圾桶工作信息，信息交互平台与GPRS模块相连并传输反馈控制信号，GPRS模块将反馈控制信号传输至单片机，单片机进行反馈控制。

3.一种上述任一权利要求所述智能垃圾桶网络管理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S₁，信息交互平台根据采集的智能垃圾桶工作信息，进行工况分析，将智能垃圾桶工况归入以下几个类别中：正常工作、需要压缩、轻微故障、严重故障或等待清运；

S₂，针对工况分析结果采取应对处理措施：如果为正常工作、需要压缩或轻微故障时，信息交互平台与控制模块通信，继续控制智能垃圾桶工作；如果为等待清运时，信息交互平台进行清运路径规划，并与控制模块通信，控制智能垃圾桶停止工作；如果为严重故障时，控制模块控制智能垃圾桶停止工作，避免造成其他部件的损坏；同时信息交互平台针对轻微故障或严重故障进行报修处理。

4.根据权利要求3所述的智能垃圾桶网络管理系统的控制方法，其特征是，所述的工况分析采用自组织模糊神经网络算法根据历史样本数据建立工况分类模型，包括以下步骤：

S₁₁，定义工况类型和历史样本数据对应的输出工况；定义历史样本数据中各变量的语言值等级，确定历史样本数据隶属度中心值和宽度值；

S₁₂，对历史样本数据进行标准化处理得到标准样本数据，计算标准样本数据的隶属度，利用标准样本数据及其隶属度、输出工况进行自组织模糊神经网络的竞争学习，得出模糊推理规则，即训练得到自组织模糊神经网络工况分类模型；

S₁₃，对于当前实时的每个智能垃圾桶工作信息数据进行模糊化处理，计算每个智能垃圾桶的输出工况，最后对输出工况进行去模糊化处理，从而判断各智能垃圾桶对应的工况。