CN110012110B - 基于物联网和NB-IoT技术的垃圾桶监控方法及系统 - Google Patents

基于物联网和NB-IoT技术的垃圾桶监控方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于物联网和NB‑IoT技术的垃圾桶监控方法及系统，包括垃圾桶状态采集端、PC端垃圾桶服务器管理模块和垃圾桶查询终端APP等部分，本系统以MSP430单片机控制超声波传感器监测垃圾桶满溢状态，通过移动蜂窝网络将数据发送至OceanConnect云平台，环卫工人可以通过手机APP接收到需要清理的区域信息，而管理层可以通过PC端的管理模块实时获取当前区域垃圾桶各项数据，从而实现对垃圾桶位置合理规划、环境监测以及预警处理等功能，提高了垃圾桶的使用率和清理效率，丰富了垃圾桶功能，具有较好的实际应用价值和广阔的市场前景。

Description

基于物联网和NB-IoT技术的垃圾桶监控方法及系统
技术领域
本发明涉及物联网技术，具体涉及一种垃圾桶智能检测方法及系统。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展、城市化进程的加快以及人民生活水平的迅速提高，城市生产与生活过程中产生垃圾废物也随之迅速增加，公共垃圾箱的使用与清理仍是城市环卫工作的重中之重。但当前，我国的环卫管理还处在较低水平。一方面，由于垃圾丢弃是随机的，环卫工人无法及时了解到何处的垃圾箱已满并需要处理，往往清理不够及时，导致垃圾积压，造成环境污染；另一方面，很多城市垃圾箱布局不够合理，往往采用的是等距排布式，不能满足实际需求，造成了有些区域的垃圾箱不够用，有些区域的垃圾箱利用率低等现象。
目前为了解决上述问题，大至城市，小至小区或商场，往往采用“人海战术”，派出大量的工作人员，每天定时定点清理垃圾桶，任凭生活习惯安置垃圾桶，这样的做法主要有以下缺陷：
(1)耗费大量人力物力，增加了运营成本，并且效率低下；
(2)垃圾桶位置安排完全依靠工作经验和习惯，没有合理的数据统计和分析支撑，安排不够合理；
(3)当前垃圾桶功能单一，造成资源浪费。
发明内容
1、本发明的目的
本发明为解决目前的垃圾桶管理系统存在上述诸多不足，有待改进的技术问题，提供了一种基于NB-IoT技术的垃圾桶智能管理方法及系统。
2、本发明采用的技术方案如下：
本发明公开栏一种基于物联网和NB-IoT技术的垃圾桶监控方法，包括垃圾桶区域布局及最优倾倒频率：
S1.垃圾桶地址位置信息采用粒子群优化算法通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找区域布局垃圾桶的数目，然后再得到具体垃圾桶的布局最优解；
S2.垃圾桶倾倒频率在时间维度上采用粒子群算法，根据时间频率，求解倾倒频率时间最优解。
更进一步，所述的S1区域布局最优解：
S11.对整个系统内所有的垃圾桶按区域为单位进行区域性的粒子群预测，求解每个区域垃圾桶数目的最优解；
S12.在区域预测的基础上，对每个区域的垃圾桶的历史数据进行粒子群算法求解，这里的粒子数就是前一步预测的区域内的垃圾桶数目，最终获得该区域下的垃圾桶具体分布；
所述的S2倾倒频率时间最优解：
以垃圾桶倾倒频率，以及当前区域垃圾桶数量作为输入变量，其中频率和粒子位置更新公式如下：
v[i]＝w*v[i]+c1*rand()*(pbest[i]-present[i])+c2*rand()*(gbest-present[i])
present[i]＝present[i]+v[i]
其中v[i]代表第i个垃圾桶的倾倒频率，w代表惯性权值，c1和c2表示学习参数，rand()表示在0-1之间的随机数，pbest[i]代表第i个垃圾桶搜索到的最优质，gbest代表整个集群搜索到的最优值，present[i]代表第i个粒子的当前位置，输出变量即为垃圾桶数量收敛趋势以及每个垃圾桶布局调整方向。
更进一步，还包括垃圾桶状态探测S3:
S31、微处理器MSP430通过控制超声波传感器读取数据计算与前方障碍物距离并保存，从而判断垃圾桶是否满溢；
S32、微处理器通过分贝传感器获取当前环境噪声分贝值并保存；然后将垃圾桶满溢状态与当前垃圾桶编号，地理位置信息打包成字符串，发送给远程监控服务器显示垃圾桶位置标记。
更进一步，所述的垃圾桶状态探测S3设定启动时间间隔，间隔内进入休眠状态，但当求助按键按下时，处理器会立即结束结束休眠，优先发送求助信息。
一种垃圾桶监控系统，包括垃圾桶状态采集端、PC端垃圾桶服务器管理模块和垃圾桶查询终端APP模块；
所述垃圾桶状态采集端以MSP430为核心控制器，分别与超声波传感器、按键、分贝传感器、预留控制以及网络通讯连接；
当有垃圾入桶时，超声波传感器将检测到的信号传输至MSP430单片机判断垃圾箱是否已满，系统具有移动网络通讯功能，MSP430单片机将处理之后的有效数据通过通信模块上传至华为OceanConnect云平台；
所述PC端垃圾桶服务器管理模块通过上述云平台获取相关数据，经处理后显示在界面上实现管理、查询、控制；
所述垃圾桶查询终端APP通信与PC端垃圾桶服务器管理模块相同，通过连接云平台查询的方式获取相关数据，并显示在界面上以引导用户操作，实现数据可视化。
更进一步，所述垃圾桶状态采集端节点通过太阳能蓄电池供电。
更进一步，所述通信模块为NB-IoT-BC95-B5芯片。
3、本发明的有益效果：
(1)本发明的智能管理系统以MSP430最小系统控制超声波传感器监测垃圾桶满溢状态，通过移动蜂窝网络将数据发送至华为云平台，环卫工人可以通过手机APP接收到需要清理的区域信息，而管理层可以通过PC端的管理模块实时获取当前区域垃圾桶各项数据，从而实现对垃圾桶位置合理规划、环境监测以及预警处理等功能，提高了垃圾桶的使用率和清理效率，丰富了垃圾桶功能，具有较好的实际应用价值和广阔的市场前景。
(2)本发明所提出的方法能够得到垃圾桶最优布局和最优倾倒频率的策略，且根据实时的监控能够应对突发情况，可以节省能源及效率，且通信稳定、数据可视化、可操作性强、便于演示、易于安装等优点。
附图说明
图1为本发明一个实施例的垃圾桶智能管理系统的方框示意图；
图2为本发明一个实施例的MSP430F149最小系统单元的管脚图；
图3为本发明一个实施例的HC-SR04超声波传感器模块的管脚图；
图4为本发明一个实施例的NB-IoT-BC95-B5的管脚图；
图5为本发明一个实施例的远程监控管理服务器功能框图；
图6为本发明一个实施例的垃圾桶智能管理系统移动端软件功能框图；
图7为本发明上位机算法流程图；
图8为本发明具体实施例界面图一；
图9为本发明具体实施例界面图二；
图10计算打印结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种垃圾桶智能管理系统，包括垃圾桶状态采集端、PC端垃圾桶服务器管理模块和垃圾桶查询终端APP模块，所述垃圾桶状态采集端以MSP430为核心控制器，超声波传感器、按键、分贝传感器、预留控制以及网络通讯都通过MSP430控制器连接。当有垃圾入桶时，超声波传感器将检测到的信号传输至MSP430单片机判断垃圾箱是否已满。系统具有移动网络通讯功能，MSP430单片机将处理之后的有效数据通过通信模块上传至华为OceanConnect云平台。所述PC端垃圾桶服务器管理模块是基于C#语言开发的上位机软件，其通过上述云平台获取相关数据，经处理后显示在界面上，并可以实现管理、查询、控制等功能。所述垃圾桶查询终端APP是基于Java语言开发的安卓端软件，通信与PC端垃圾桶服务器管理模块相同，通过连接云平台查询的方式获取相关数据，并显示在界面上以引导用户操作，实现数据可视化。鉴于不同应用场所的不同需求，MSP430控制器应预留控制口以便于未来的功能拓展。
如图3所示，垃圾桶状态检测装置采用超声波传感器，它主要由电压电晶片和测量电路组成，传感器通过测量发送和接受超声波的时间差来计算与前方障碍物的距离。当垃圾桶内垃圾高度达到检测线时，超声波测得距离小于设定的阈值，由此判断垃圾桶已满。
核心控制器包括MSP430系列单片机，例如型号为MSP430F149的单片机，采用C语言进行程序设计，其管脚图如图2所示。通信模块包括NB-IoT模块，例如型号为BC95-B5芯片，其通过RX/TX接口与MSP430F149完成数据交换，根据相关AT指令与云平台实现对接，完成数据传输，其管脚图如图4所示。采用太阳能电池板为检测节点供电以提高续航能力，避免了频繁更换电池的麻烦，并且降低成本，减少污染。
关于垃圾桶状态检测端工作流程如下，首先由微处理器MSP430通过控制超声波传感器读取数据计算与前方障碍物距离并保存，从而判断垃圾桶是否满溢；接着，微处理器通过分贝传感器获取当前环境噪声分贝值并保存；然后将上述数据与当前垃圾桶编号，地理位置等信息打包成字符串，发送给远程监控服务器，进行进一步处理和分析。此过程每半小时(可自由设置)进行一次，其他时间进入休眠状态，降低功耗。但当求助按键按下时，处理器会立即结束结束休眠，优先发送求助信息。
垃圾桶状态采集端节点为一个或多个，从而适应不同面积的应用区域，包括但不限于学校、商场、小区、街道等公共场合。垃圾桶查询终端APP为一个或多个，从而适应不同数量的工作人员，确保每个操作人员都可以通过手机查看和管理系统。
根据本发明实施例的垃圾桶智能管理系统，使用成本较低的方式来检测垃圾桶状态，当垃圾桶满溢时，会实时在地图上标记该垃圾桶，状态识别率接近100％，免去了人工排查的烦恼；采用NB移动通讯模式，数据通过无线传递，便于系统在户外实时联网，避免网线或光纤接入的困扰；配套上位机软件设计与移动终端APP设计，实现系统远程实时监控，便于用户监测和管理；应用场景广阔，可移植性强，并且针对不同的应用环境可附加不同的功能，如针对商场、游乐园，可增加一键求助按钮；针对街区、城市，可增加噪声分贝检测功能等；配有太阳能蓄电池，系统功耗低，可工作时间长，不用频繁更换电池，并且环保高效。
总体而言，本发明的垃圾桶智能管理系统具有硬件电路结构简单、通信稳定、数据可视化、可操作性强、便于演示、易于安装等优点。
其中上位机对于垃圾桶位置分布的预测算法基于粒子群优化算法(PSO：ParticleSwarm Optimization)，粒子群优化算法的基本思想是通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找最优解，通过设计一种无质量的粒子来模拟鸟群中的鸟，粒子仅具有两个属性：速度和位置，速度代表移动的快慢，位置代表移动的方向。每个粒子在搜索空间中单独的搜寻最优解，并将其记为当前个体极值，并将个体极值与整个粒子群里的其他粒子共享，找到最优的那个个体极值作为整个粒子群的当前全局最优解，粒子群中的所有粒子根据自己找到的当前个体极值和整个粒子群共享的当前全局最优解来调整自己的速度和位置。在这里，以垃圾桶倾倒数据在时间维度上采用粒子群算法，根据时间频率，求解时间和垃圾桶分布位置的最优解。在区域位置分布上，首先对整个系统内所有的垃圾桶按区域为单位进行区域性的粒子群预测，求解每个区域垃圾桶数目的最优解。在区域预测的基础上，对每个区域的垃圾桶的历史数据进行粒子群算法求解，这里的粒子数就是前一步预测的区域内的垃圾桶数目，最终获得该区域下的垃圾桶具体分布。
这里以垃圾桶倾倒频率，以及当前区域垃圾桶数量作为输入变量，将这两项数值输入上述“粒子群”数学模型。其中频率和粒子位置更新公式的代码如下：
v[i]＝w*v[i]+c1*rand()*(pbest[i]-present[i])+c2*rand()*(gbest-present[i])
present[i]＝＝present[i]+v[i]
其中v[i]代表第i个垃圾桶的倾倒频率，w代表惯性权值，c1和c2表示学习参数，rand()表示在0-1之间的随机数，pbest[i]代表第i个垃圾桶搜索到的最优质，gbest代表整个集群搜索到的最优值，present[i]代表第i个粒子的当前位置。通过本模型，输出变量即为垃圾桶数量收敛趋势以及布局调整方向。其中某次计算打印结果如图10。
从打印数据可见粒子群数量与布局调整方向，最终获取垃圾桶更新后的经纬度，配合地图打点与路径规划，即可实现垃圾桶规划预测功能。
该功能具体实现流程图如图7所示，以江苏理工学院校区为测试点，如图8-9所示，在西苑、北苑校区共设置12个垃圾桶，测试周期为7天。通过对7天内倾倒频率、位置信息等数据汇总与分析，系统通过“粒子群”算法预测出更佳的垃圾桶布局模式。如下图所示，系统建议西苑区域减少3个垃圾桶，北苑区域新增1个垃圾桶，总计减少2个垃圾桶，节约了16.7％的资源，同时提高了清理效率。

Claims (6)

1.一种基于物联网和NB-IoT技术的垃圾桶监控方法，其特征在于，垃圾桶区域布局及最优倾倒频率：
S1.垃圾桶地址位置信息采用粒子群优化算法通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找区域布局垃圾桶的数目，然后再得到具体垃圾桶的布局最优解；
S2.垃圾桶倾倒频率在时间维度上采用粒子群算法，根据时间频率，求解倾倒频率时间最优解；
所述的S1区域布局最优解：
S11.对整个系统内所有的垃圾桶按区域为单位进行区域性的粒子群预测，求解每个区域垃圾桶数目的最优解；
S12.在区域预测的基础上，对每个区域的垃圾桶的历史数据进行粒子群算法求解，这里的粒子数就是前一步预测的区域内的垃圾桶数目，最终获得该区域下的垃圾桶具体分布；
所述的S2倾倒频率时间最优解：
以垃圾桶倾倒频率，以及当前区域垃圾桶数量作为输入变量，其中频率和粒子位置更新公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中v[i]代表第i个垃圾桶的倾倒频率，w代表惯性权值，c1和c2表示学习参数，rand()表示在0-1之间的随机数，pbest[i]代表第i个垃圾桶搜索到的最优质，gbest代表整个集群搜索到的最优值，present[i]代表第i个粒子的当前位置，输出变量即为垃圾桶数量收敛趋势以及每个垃圾桶布局调整方向。
2.根据权利要求1所述的基于物联网和NB-IoT技术的垃圾桶监控方法，其特征在于，还包括垃圾桶状态探测S3:
S31、微处理器MSP430通过控制超声波传感器读取数据计算与前方障碍物距离并保存，从而判断垃圾桶是否满溢；
S32、微处理器通过分贝传感器获取当前环境噪声分贝值并保存；然后将垃圾桶满溢状态与当前垃圾桶编号，地理位置信息打包成字符串，发送给远程监控服务器显示垃圾桶位置标记。
3.根据权利要求2所述的基于物联网和NB-IoT技术的垃圾桶监控方法，其特征在于：所述的垃圾桶状态探测S3设定启动时间间隔，间隔内进入休眠状态，但当求助按键按下时，处理器会立即结束结束休眠，优先发送求助信息。
4.一种采用如权利要求1-3任一所述的方法的垃圾桶监控系统，其特征在于：包括垃圾桶状态采集端、PC端垃圾桶服务器管理模块和垃圾桶查询终端APP模块；
所述垃圾桶状态采集端以MSP430为核心控制器，分别与超声波传感器、按键、分贝传感器、预留控制以及网络通讯连接；
当有垃圾入桶时，超声波传感器将检测到的信号传输至MSP430单片机判断垃圾箱是否已满，系统具有移动网络通讯功能，MSP430单片机将处理之后的有效数据通过通信模块上传至华为OceanConnect云平台；
所述PC端垃圾桶服务器管理模块通过上述云平台获取相关数据，经处理后显示在界面上实现管理、查询、控制；
所述垃圾桶查询终端APP通信与PC端垃圾桶服务器管理模块相同，通过连接云平台查询的方式获取相关数据，并显示在界面上以引导用户操作，实现数据可视化。
5.根据权利要求4所述的垃圾桶监控系统，其特征在于，所述垃圾桶状态采集端节点通过太阳能蓄电池供电。
6.根据权利要求4所述的垃圾桶监控系统，其特征在于，所述通信模块为NB-IoT-BC95-B5芯片。
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