一种非接触智能垃圾桶管理系统解决方案设计

赵越超 郑定成 张宇明

（德宏职业学院 云南省德宏傣族景颇族自治州 678400）

1 引言

人们对生活环境的卫生质量提出了越来越高的要求，但是相对的笔者在许多小区观察到，即使小区里都配备有公共垃圾桶，垃圾桶也未装满，仍然不少有人将垃圾扔在垃圾桶旁边而不是扔到垃圾桶里，导致环境污染空气恶化。究其原因，主要是垃圾丢弃者不愿意用手去打开垃圾盖，避免与不卫生的物品接触，可是这使得公共卫生水平反而降低了。为了解决这个问题，在小区提供一种非接触式的智能垃圾桶管理系统解决方案就显得十分必要。

2 需求分析

智能垃圾桶系统的用户对象主要有小区住户、小区物业管理和清洁人员。不同的用户对象对于智能垃圾桶系统的使用诉求也不一样，下面我们逐一进行分析。

2.1 小区住户

对于小区住户来说，第一个诉求是小区的垃圾桶必须有盖，避免垃圾桶异味在小区内扩散，但是有盖又会带来丢弃垃圾需要接触的问题，因此，第二个诉求是要实现无接触式的垃圾投放，第三个诉求是垃圾桶内垃圾满了要得到及时的清理，避免在垃圾投递的时候无法投入垃圾桶。以上需求通过与不同小区不同年龄阶段的住户沟通调查得出，是最基本的共性诉求。

2.2 小区物业

对于小区物业管理人员而言，若不考虑安装成本和建设费用的话，对于使用非接触智能垃圾桶系统有以下几个诉求。一是要能实时监控到小区内所有垃圾桶的状态，能够及时准确的派出清洁人员进行处理。二是要能够对垃圾桶的数据进行统计，以便于优化小区

●本文为德宏职业学院校本课题经费支持，项目编号：XJYB2020001。垃圾桶的布局和数量。三是安装方便，使用成本较低，系统接入简单。

2.3 清洁人员

对于清洁人员来说，一是自动打包垃圾袋 ，二是自动更换新的垃圾袋，三是外观设计上要能够与拉垃圾的小车对接，方便自动倒到垃圾车内拉走，四是清洁方便，不用担心冲水洗桶对垃圾桶造成损坏。

3 总体设计

非接触智能垃圾桶方案大体分为了智能垃圾桶部分和信息管理系统两个部分，智能垃圾桶作为前端，负责实现对垃圾回收的各种功能，信息管理系统作为后台，承载着智能垃圾桶接入、管理、信息分析题型等运行维护功能。总体概要设计如图1。

图1：非接触式智能垃圾桶系统方案

3.1 智能垃圾桶

智能垃圾桶部分主要由基于物联网的各种传感器组成，该部分作为整个系统的前置功能部件[1]，提供自动感应开盖，自动垃圾打包，自动垃圾换袋等功能，主要满足一线用户的使用诉求。

3.2 信息管理系统

信息管理系统主要提供智能垃圾桶的接入，数据的采集，调配等，解决垃圾桶管理所需的信息管理能力。主要功能有以下几个方面。一是智能垃圾桶终端维护，包括增删改查投放垃圾桶信息，二是垃圾桶数据对接，通过物联网将传感器采集到的数据收集到信息系统数据库[2]，便于后期的分析优化。三是数据实时召测功能，能够通过流量在线的垃圾桶，查看垃圾桶当前状态和实时数据。四是提供智能垃圾桶监控仪表盘，满足垃圾桶布放监控的需要。五是垃圾数据智能分析，通过多垃圾桶清理频度、垃圾桶放满时间、垃圾桶卫生恶化状况等数据的分析，提供垃圾桶部署的优化建议。

4 详细设计

4.1 硬件部分

4.1.1 自动开盖功能

自动开盖功能有三个功能设计，一是在垃圾桶正面安装红外传感器，当接收到近距离阻挡时，向后台服务发送信号，同时后台服务发送开盖命令，驱动舵机模块，自动打开垃圾桶。二是在垃圾桶前安装摄像头，通过图像识别算法，识别垃圾袋的颜色，不同颜色代表不同分类，垃圾桶可以根据垃圾袋的颜色，自动判定打开对应分类的垃圾桶盖。三是语音识别。通过麦克风接收语音信息，呼叫“垃圾管家”，待应答后，说出要开盖垃圾桶颜色，又后台服务判定后打开对应的垃圾桶[3]。

4.1.2 状态监测功能

一是垃圾重量监测。通过称重传感器，实时监测垃圾重量变化，当变化稳定后，向服务器发送一次垃圾桶重量数据。二是垃圾桶容量监测。通过红外传感器，监测垃圾桶的容量情况，当垃圾桶已满时，向后台发送数据信息，并且在指示灯提示用户该垃圾桶已满。三是气味状态监测。通过气敏传感器，定时传输至服务器后台，判定是否有超过预设阈值异味。

4.1.3 自动垃圾打包换袋功能

此项功能非该垃圾桶的核心功能，且会涉及到耗材，不做主要功能设计，参照文献设计[4]。

4.2 软件部分

4.2.1 整体设计

整体设计如图2所示。

图2：整体设计

4.2.2 终端管理模块设计

终端管理模块主要用于在系统上添加将要布放智能垃圾桶（对于系统以下称为终端）的基础信息，也就是向系统注册终端，主要信息包括终端编号、终端名称、终端识别码、最大容量、尺寸（长、宽、高）、购置时间。能够对以上信息进行增删改查的操作，支持批量导入。

4.2.3 区域管理模块设计

区域管理模块主要用于建立一个部署垃圾桶的区域信息，如XX 小区。主要维护信息有区域名称、所属机构、区域负责人、负责人电话、区域地址、行政归属等。能够对以上信息进行增删改查的操作，支持批量导入。

4.2.4 投放管理模块设计

投放管理模块主要用于在终端和区域基础数据建立后，将终端和区域绑定，以建立起垃圾桶数据关联关系。在绑定终端的同时，需要同时保存垃圾桶部署的坐标、部署时间、是否启用、终端负责人、负责人电话等，能够对以上信息进行增删改查的操作，支持批量导入。能够查看区域下终端列表，显示是否在线、IP 地址，端口号，连接时间，上一次断开连接时间等信息，点击详情能够对终端进行控制操作（具体操作见控制功能）。同时，终端绑定前需要经过系统与终端连接测试，测试通过后才能完成绑定。

4.2.5 控制功能接口模块设计

该模块主要实现系统与垃圾桶终端的通信连接。通过终端IP地址、端口号和序列号，识别唯一的终端，定时心跳探测终端在线状态。同时支持远程控制指令下发功能，能够发送开关盖、功能监测等功能[5]。

4.2.6 数据采集管理模块设计

数据采集管理主要用于建立定时或者及时的垃圾桶信息数据采集任务。主要能够有新建采集任务，设置采集任务类型，定时采集时间周期，选择采集信息字段，字段包括垃圾桶开关记录、红外使用记录、语音使用记录、图像识别使用记录、气味记录、清空后单次垃圾桶装满使用记录等。每一个记录都是一个动态数据记录的过程，主要用于大数据分析的数据储备，本文不做详细描述，将会在其他文章中专项说明。

4.2.7 通知告警管理模块设计

通知告警管理主要提供了一个区域监控的界面，用户能够通过该界面，实时监控区域内垃圾桶使用情况，是否需要清理，是否掉线，是否有异常情况出现，记录异常发生的时间、类型、是否已经处理等。

4.2.8 数据分析管理模块设计

该模块是本系统的一个创新点，基于数据采集管理采集到的数据信息，综合挖掘便于环境卫生管理的。可以查看各类型数据量、数据明细、以及各种数据的统计报表。管理人员可以直观的了解到环卫数据信息。一是统计出垃圾桶放满速度最快的终端列表，二是按开盖次数统计出终端的使用频率，三是按气味数据统计出卫生状况好坏的终端排名列表，四是按图像识别、语音控制、红外感应分别统计使用数据。

4.2.9 园区设置建议模块设计

根据系统内园区的数据，给出区域垃圾桶终端设置的建议，通过分析垃圾桶放满的时间长短、清理垃圾的频度和周期，计算出该区域垃圾产生量和垃圾桶数据量的关系，若清理周期长，放满时间长，则说明垃圾倾倒需求不足，建议减少该区域垃圾桶数量，若清理周期短，垃圾放满时间短，则说明垃圾投放需求足，建议增加该区域的垃圾桶数量。通过该模块，能够优化园区垃圾桶布局，达到物尽其用，按需分配，功效最大化的目的。

4.2.10 保洁调度管理模块设计

园区生活垃圾收运管理在生活中变得尤为重要,垃圾清运环节的车辆调度影响收运效率和成本[6]，该模块结合气味传感器、垃圾桶满载等数据，制定保洁调度计划，保洁员可以定时根据系统给出的路线模块进行垃圾清运和保洁维护工作，避免跑到不需要维护的点去，达到节约时间，节约运输成本，提高清运效率的效果。包括配置保洁人员信息、新增调度任务、管理区域设置、保洁人员与区域绑定等功能。

4.2.11 大数据驾驶舱模块设计

该模块以大屏展示的方式，全方位的展现园区所有垃圾桶的布局状况，运行状态，罗列出使用清运频度最高的垃圾桶和最用清运频度最低的垃圾桶，可以直观的查看园区环卫的状态评价。

5 非功能性设计

5.1 交互体验相关设计

（1）实现统一的 Loading 图标提示。在前端的网络请求库中增加拦截器，在数据的获取异步加载的过程中 Loading 图标不会间断。

（2）表单的二次提交控制。在表单提交快速点击提交按钮多次时，避免出现表单多次提交的问题。使用蒙层的 Loading 阻塞用户的操作的效果。

5.2 输出格式化设计

系统中出现时间日期的地方，统一采用YYYY-MM-DD HH:MM:SS 的格式，达到统一日期格式的效果。系统中出现排序的地方，统一默认按照添加时间倒序排序。

5.3 安全性相关设计

（1）身份校验和权限。引入第三方安全框架，采用Apache Shiro 解决身份验证、授权、密码和会话管理等问题。

（2）表单验证。前台采用jquery 进行输入验证，后端需要对关键信息进行安全验证过滤。

（3）防止SQL 注入。对用户的输入进行校验，可以通过正则表达式，或限制长度；对单引号和双"-"进行转换等。不使用动态拼装SQL，使用参数化的SQL 或者直接使用存储过程进行数据查询存取。不使用管理员权限的数据库连接，为每个应用使用单独的权限有限的数据库连接。加密或者hash 掉密码和敏感的信息。应用的异常信息应该给出尽可能少的提示，使用自定义的错误信息对原始错误信息进行包装。

（4）文件上传。对上传文件进行严格的类型、大小限制；不需要的文件类型不允许上传，不应该上传可执行文件。在上传后的文件系统中需要使用内建的唯一命名，并通过数据库来记录用户上传的文件名请求用户确认和提示，上传后统一对文件按照日期流水重命名。

6 结束语

本篇论文描述了一种非接触智能垃圾桶管理系统解决方案设计，并对其主要设计思路和功能模块做了详细介绍。采用物联传感器配套应用系统管理，将分散的终端集中管控起来，以园区环卫工作作为切入点，采集实际需求，做了一次应用创新尝试。该系统的实现，作为智慧城市环卫工作的一个基础研究，在园区环境中做了试点，下一步可以在此基础之上，结合智慧城市的需求，将该方案作为城市大数据环卫数据的基础采集方案，值得去做进一步的研究。