城市环卫垃圾箱智能感知与通信系统的
城市环卫垃圾箱智能感知与通信系统的[20191215153518]
摘 要
当下城市环卫的发展并不能完全跟上城市发展的步伐，为了解决当下城市垃圾管理无序，环卫工人效率不高，重复劳动的问题，在分析国内外环卫管理系统的基础上，本课题详细介绍了智能垃圾箱终端以及其工作原理，并通过短信猫方式向工作人员发送短信通知垃圾的清理工作。
智能垃圾箱是一种能够实时通过传感器监测垃圾箱满信息并且及时发送sms短信的垃圾箱，该原型由超声传感器、电子标签、RFID阅读器、GPS技术、短信收发模块以及管理系统组成。文章的最后根据城卫管理系统的总体设计方案，采用C/S模式，在Microsoft Visual Studio 2008环境下，使用Visual C#结合access 2003数据库完成了数据库的设计和系统的开发。经过测试，基于传感网技术的城市环卫智能管理系统基本达到了预期的目标，实现了各个功能。管理人可以透明实时地了解全市的环卫作业情况，使环卫问题能够及早发现，快速解决。
智能垃圾箱系统符合了“数字城市”的设计理念，能够实现垃圾的及时清运、处理、回收，通过无线设备，更是方便了城市的改造，节约大量时间与费用。
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关键字:智能垃圾箱；超声传感器；RFID技术；3G通信；
目 录
第1章 绪论 1
1.1本课题研究的主要目的和意义 1
1.2 国内外的技术现状概述和最新发展趋势 2
1.2.1 国外城市智能垃圾箱的研究现状 3
1.2.2 国内城市智能垃圾箱的研究现状料 4
1.3 课题主要研究内容及方向 4
1.4论文结构安排 4
1.5本章小结 4
第2章 智能垃圾箱感知通信系统方案设计 5
2.1系统设计目标与要求 5
2.2 系统总体功能架构设计 5
2.3 系统通信结构 6
2.4管理系统的网络结构设计 7
2.5本章小结 8
第3章 智能垃圾箱感知终端设计 9
3.1垃圾箱智能感知终端框图设计 9
3.2 测距模块的设计 11
3.2.1 超声测距传感器工作原理 11
3.2.2 cc2530单片机电路 12
3.2.3 按键电路设计 13
3.2.4 串口电路设计 13
3.2.5 电源电路设计 14
3.2.6 LED电路设计 14
3.2.7 终端节点整体设计 16
3.3超声传感测距程序设计 16
3.4 环卫车GPS定位及视频监控终端设计与实现 18
3.4.1 环卫车GPS定位模块设计 18
3.4.2 环卫车视频监控模块的设计与实现 21
3.5 本章小结 32
第4章 数据无线传送与短信收发设计 23
4.1 数据无线传送模块 24
4.1.1 3G通信方案设计 24
4.1.2 传感器网络具体设计 25
4.2 短信收发整体架构设计 26
4.2.1 短信猫的工作原理 27
4.2.2 短信收发程序设计 28
4.3本章小结 29
第5章 城市环卫智能管理系统测试 30
5.1 登录测试 30
5.2 短信发送测试 30
5.3电子用户查询 31
5.4统计报表测试 34
5.4统计报表测试 34
第6章 总结与展望 36
6.1 总结 36
6.2 展望 36
参考文献 37
附录 39
第1章 绪论
1.1 本课题研究的主要目的和意义
我国城市生活垃圾每年以8%—10%增长，垃圾成分复杂，是人们公认的“城市公害”之一。作为城市生活垃圾管理的重要部分，城市生活垃圾的回收与利用占据着很大的比重，收运费用占垃圾处理费用的一半左右。在一些人流量大的商业闹市地段，垃圾箱分布广，数量众多，对于城市垃圾收集起着巨大的作用，但是由于过量负载，垃圾箱却得不到及时的处理。一旦没有及时处理，造成垃圾堆放，对周围环境造成严重污染和破坏，甚至造成二次污染。目前的城市环卫管理功能落后，效率低下，组要通过环卫工人对所有垃圾箱逐个巡视与清运，造成人力成本的大幅上升。信息滞后是城市环卫管理的明显缺陷，这样便造成成本高效率低的现象，造成被动的城市管理工作，垃圾满了之后得不到及时清理，垃圾箱未满却不断的巡视。城市管理的技术手段落后，方式单一、粗放，缺乏合理的监督评估机制，使得垃圾管理工作处于不到位的尴尬境地。所以城市环卫管理的信息化工作势在必行。城市的发展需要先进的城市规划与管理，城市的高度现代化需要高效的城市管理与监督机制。
“数字地球”的概念于90年代初期被提出，出现了大量的基于地理空间信息的各类专业化应用，“数字城市”由此提出，它强调通过地理空间技术来管理城市各类资源，实现城市各类专业和综合的管理。垃圾的处理是“数字城管”重要组成部分，是物联网及信息技术在城市市政综合监管中的应用。所谓“数字城管”就是集合移动通信技术、信息技术、传感器技术、物联网技术，实现精确、敏感、高效、全时段、全方位覆盖的城市管理。“数字城管”利用现代信息技术、整合城市管理资源，为政府更好地履行社会管理和公共服务职能而建立的分工明确、职责清晰、反馈及时、解决迅速、监督有力的信息化管理平台，使管理工作在城市的每个地方、每个时段都能准确覆盖，以实现精确、快速、高效的城市管理目标。垃圾处理是城市管理的重要环节，对于城市卫生，居民生活水平起着至关重要的作用。通过当今的信息技术、物联网技术，使得垃圾处理的精确性、实时性得到飞跃的提升，不断降低人力物力的成本。
1.2 国内外的技术现状概述和最新发展趋势
日常生活中，传统垃圾箱或垃圾桶在存放垃圾的基础上，会在造型上有一些变化，也有在功能上有一些区分。在视觉上，不同的色彩或者造型可以提高人们对垃圾分类的辨识程度，如绿色用于可回收垃圾，黑色用于不可回收。而随着科学技术的发展，人们对城市环卫垃圾箱的可管理型与实用性提出了更高的要求。比如感应垃圾箱，在电路芯片控制的基础上，使用传感器对周围物理因素的变化作出相应的监测，并通过单片机程序，使垃圾箱作出相应的反应，比如只要有物体接近感应区范围，桶盖便会自动开启，物体或手离开感应区数秒后桶盖会自动关闭，这样的硬件设备采用太阳能电板供电，无需外接电源，功耗较低，环保节能，并且这样的功能方便卫生，结构简单，有效预防由接触引起的感染。除了智能感应垃圾箱之外除还出现了一种语音提示垃圾箱；桶底将桶身下端密封固定；语音装置固定与桶底内，设有露出桶底下表面的开关及喇叭，语音装置通过分布于桶底上表面的压力传感器采集信号。
1.2.1 国外城市智能垃圾箱的研究现状
国际上，许多欧美发达国家已经在智能垃圾箱方面取得了成功，值得借鉴。智能家居方向通过提升人们生活的安全、便利与舒适程度，实现环保节能的居住环境，而智能垃圾箱更是互联网影响下的物联化的体现。
比如英国人发明的太阳能提供动力，实现垃圾压缩的智能垃圾箱，当垃圾箱中的一个传感器在负重达到一定程度时，自动开启设备对垃圾进行压缩。垃圾箱通过一个十二伏的太阳能电池，通过少量的阳光可以对垃圾进行压缩，适合垃圾箱的压缩动力来源与一个12伏的太阳能电池，需要少量的阳光可实现垃圾的压缩，非常适合多雾的英国天气。垃圾箱中还装有简易的蓄电池，可储存晴天吸收的天阳能，令垃圾箱在阴雨天也能正常运行。这样的垃圾箱并未使用公共电网的电，不会造成额外的碳排放，为节能减排做出巨大的贡献。美国制造的bigbelly（大肚王）垃圾箱已得到推广，这种智能垃圾箱利用安装在其上的太阳能电池板供电，配备一无线的手机效率管理和报告系统，把各垃圾箱的状况数据转却实时的传报到管理人员的办公桌上，有CLEAN系统不断监测收集进程，根据三色液晶指示灯运行相应的处理。该智能垃圾箱还有一个巨大的优点是它能够压实垃圾，容纳平常状态的五倍垃圾。
1.2.2 国内城市智能垃圾箱的研究现状
国内的城市环卫智能管理实施的比较晚，但有所发展。目前，很多文献提出在环卫管理的多个方面我国各个城市都有所研究，已经开发或者使用环卫管理系统，但是不够完善。
在我国多个城市，已经提出城市环卫智能化管理方案。2004年10月，北京市宣布建设数字化城市智能管理系统，运用“万米单元网格城市智能管理模式”，正式运行“东城区网格化城市管理信息平台”。此平台对划分的每个网格进行实时监控。长沙市岳麓区从2005年起，开设环卫网站[1]，深层监测岳麓区的环卫工作。并在2008年、2010和2011年都有不断地改进创新，争做一流环卫。2010年济南市提出环卫智能化信息管理系统，在环卫车上安装GPS模块，对环卫车进行监控。2011年金华市推出环卫作业新模式[2]，将环卫工打扫卫生并清运垃圾改为环卫工只清洁垃圾箱，垃圾清运单独处理，这样提高金华市的垃圾清理效率。2011年汕头市开始重视城市环卫的建设，提出实现城市环卫的网格化管理。在环卫保洁、垃圾清运、监督检查等环节采用信息化设备，实现城市环卫的高度监督。同样秦安市结合GPS技术与GIS地理信息系统，对垃圾清运车、粪便车等环卫车进行实时监控。
多个文献也在环卫智能化管理上的技术应用上做了详细的讨论。文献[3]提出动态采集、动态传输的环卫智能公益垃圾箱，利用ZigBee技术将垃圾箱信息以组网的形式发送出去，但zigbee技术的传输距离有线，文献没有根据城市面积大的特点，将信息以远程无线的方式发送到监控中心。在文献[4]提出的分布式环卫车运输管理信息系统中，系统采用无线通信、数据库、GIS等技术监管环卫车运行情况、垃圾处理情况等，做到远程管理，实时做出决策。文献利用GPRS无线通信方式，传输速度有待提高，而且没有用视频摄像头对环卫车进行更加清晰的作业监控。文献[5]以济南市槐荫区为例，开发了基于GIS的环卫管理系统，将垃圾中转、分类、保洁道路、公厕分层管理。改善信息存储方式，减少人力、物力的浪费。文献[6]提出为每一位环卫工、检查员配备一台3G智能手机，将工作信息通过3G网络上传到监控大厅。但此方法投资大，且环卫工配备3G手机工作不灵活。
以上研究发现，我国很多城市都有将环卫管理工作提升上去的思想或者项目实施，但做的都不是很完善，总结起来有几下几个不足：（1）管理机制落后：目前大部分城市环卫部门设立考核小组，每天亲自上路检查环卫工的各项工作，人工记录考核情况，向领导汇报。这种方式缺乏第三方机构监督，很难将工作彻底落实。（2）环卫设施不齐全、对环卫设施监管不全面，信息处理不集中，不能对所有环卫设备进行远程监管。（3）监控不彻底：目前大部分城市对环卫车的监控仅仅局限于路线的监控，没有在环卫车的车身安装摄像头，无法对城市所有环卫车的作业情况进行实时监控。（4）问题不能及时处理：环卫工作现场的视频或者图片信息不能及时上传给负责人，遇到紧急情况也不能及时处理。
本文提出的城市环卫智能管理系统克服了以上的缺点。城市环卫工作和人民的生活息息相关，打造全方位监测的准确、实时、高效的城市环卫智能管理系统，不仅和世界接轨，更是为人民服务。
1.3课题主要研究内容及方向
本课题主要设计与实验一套智能垃圾箱系统，具有超声传感器的垃圾箱能够自动检测垃圾箱内垃圾量、后台工作人员通过短信发送通知环卫工人，实现环卫工人的射频识别与身份验证，并对所有无线传输的信息进行存储。
1.4论文结构安排
摘 要
当下城市环卫的发展并不能完全跟上城市发展的步伐，为了解决当下城市垃圾管理无序，环卫工人效率不高，重复劳动的问题，在分析国内外环卫管理系统的基础上，本课题详细介绍了智能垃圾箱终端以及其工作原理，并通过短信猫方式向工作人员发送短信通知垃圾的清理工作。
智能垃圾箱是一种能够实时通过传感器监测垃圾箱满信息并且及时发送sms短信的垃圾箱，该原型由超声传感器、电子标签、RFID阅读器、GPS技术、短信收发模块以及管理系统组成。文章的最后根据城卫管理系统的总体设计方案，采用C/S模式，在Microsoft Visual Studio 2008环境下，使用Visual C#结合access 2003数据库完成了数据库的设计和系统的开发。经过测试，基于传感网技术的城市环卫智能管理系统基本达到了预期的目标，实现了各个功能。管理人可以透明实时地了解全市的环卫作业情况，使环卫问题能够及早发现，快速解决。
智能垃圾箱系统符合了“数字城市”的设计理念，能够实现垃圾的及时清运、处理、回收，通过无线设备，更是方便了城市的改造，节约大量时间与费用。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:智能垃圾箱；超声传感器；RFID技术；3G通信；
目 录
第1章 绪论 1
1.1本课题研究的主要目的和意义 1
1.2 国内外的技术现状概述和最新发展趋势 2
1.2.1 国外城市智能垃圾箱的研究现状 3
1.2.2 国内城市智能垃圾箱的研究现状料 4
1.3 课题主要研究内容及方向 4
1.4论文结构安排 4
1.5本章小结 4
第2章 智能垃圾箱感知通信系统方案设计 5
2.1系统设计目标与要求 5
2.2 系统总体功能架构设计 5
2.3 系统通信结构 6
2.4管理系统的网络结构设计 7
2.5本章小结 8
第3章 智能垃圾箱感知终端设计 9
3.1垃圾箱智能感知终端框图设计 9
3.2 测距模块的设计 11
3.2.1 超声测距传感器工作原理 11
3.2.2 cc2530单片机电路 12
3.2.3 按键电路设计 13
3.2.4 串口电路设计 13
3.2.5 电源电路设计 14
3.2.6 LED电路设计 14
3.2.7 终端节点整体设计 16
3.3超声传感测距程序设计 16
3.4 环卫车GPS定位及视频监控终端设计与实现 18
3.4.1 环卫车GPS定位模块设计 18
3.4.2 环卫车视频监控模块的设计与实现 21
3.5 本章小结 32
第4章 数据无线传送与短信收发设计 23
4.1 数据无线传送模块 24
4.1.1 3G通信方案设计 24
4.1.2 传感器网络具体设计 25
4.2 短信收发整体架构设计 26
4.2.1 短信猫的工作原理 27
4.2.2 短信收发程序设计 28
4.3本章小结 29
第5章 城市环卫智能管理系统测试 30
5.1 登录测试 30
5.2 短信发送测试 30
5.3电子用户查询 31
5.4统计报表测试 34
5.4统计报表测试 34
第6章 总结与展望 36
6.1 总结 36
6.2 展望 36
参考文献 37
附录 39
第1章 绪论
1.1 本课题研究的主要目的和意义
我国城市生活垃圾每年以8%—10%增长，垃圾成分复杂，是人们公认的“城市公害”之一。作为城市生活垃圾管理的重要部分，城市生活垃圾的回收与利用占据着很大的比重，收运费用占垃圾处理费用的一半左右。在一些人流量大的商业闹市地段，垃圾箱分布广，数量众多，对于城市垃圾收集起着巨大的作用，但是由于过量负载，垃圾箱却得不到及时的处理。一旦没有及时处理，造成垃圾堆放，对周围环境造成严重污染和破坏，甚至造成二次污染。目前的城市环卫管理功能落后，效率低下，组要通过环卫工人对所有垃圾箱逐个巡视与清运，造成人力成本的大幅上升。信息滞后是城市环卫管理的明显缺陷，这样便造成成本高效率低的现象，造成被动的城市管理工作，垃圾满了之后得不到及时清理，垃圾箱未满却不断的巡视。城市管理的技术手段落后，方式单一、粗放，缺乏合理的监督评估机制，使得垃圾管理工作处于不到位的尴尬境地。所以城市环卫管理的信息化工作势在必行。城市的发展需要先进的城市规划与管理，城市的高度现代化需要高效的城市管理与监督机制。
“数字地球”的概念于90年代初期被提出，出现了大量的基于地理空间信息的各类专业化应用，“数字城市”由此提出，它强调通过地理空间技术来管理城市各类资源，实现城市各类专业和综合的管理。垃圾的处理是“数字城管”重要组成部分，是物联网及信息技术在城市市政综合监管中的应用。所谓“数字城管”就是集合移动通信技术、信息技术、传感器技术、物联网技术，实现精确、敏感、高效、全时段、全方位覆盖的城市管理。“数字城管”利用现代信息技术、整合城市管理资源，为政府更好地履行社会管理和公共服务职能而建立的分工明确、职责清晰、反馈及时、解决迅速、监督有力的信息化管理平台，使管理工作在城市的每个地方、每个时段都能准确覆盖，以实现精确、快速、高效的城市管理目标。垃圾处理是城市管理的重要环节，对于城市卫生，居民生活水平起着至关重要的作用。通过当今的信息技术、物联网技术，使得垃圾处理的精确性、实时性得到飞跃的提升，不断降低人力物力的成本。
1.2 国内外的技术现状概述和最新发展趋势
日常生活中，传统垃圾箱或垃圾桶在存放垃圾的基础上，会在造型上有一些变化，也有在功能上有一些区分。在视觉上，不同的色彩或者造型可以提高人们对垃圾分类的辨识程度，如绿色用于可回收垃圾，黑色用于不可回收。而随着科学技术的发展，人们对城市环卫垃圾箱的可管理型与实用性提出了更高的要求。比如感应垃圾箱，在电路芯片控制的基础上，使用传感器对周围物理因素的变化作出相应的监测，并通过单片机程序，使垃圾箱作出相应的反应，比如只要有物体接近感应区范围，桶盖便会自动开启，物体或手离开感应区数秒后桶盖会自动关闭，这样的硬件设备采用太阳能电板供电，无需外接电源，功耗较低，环保节能，并且这样的功能方便卫生，结构简单，有效预防由接触引起的感染。除了智能感应垃圾箱之外除还出现了一种语音提示垃圾箱；桶底将桶身下端密封固定；语音装置固定与桶底内，设有露出桶底下表面的开关及喇叭，语音装置通过分布于桶底上表面的压力传感器采集信号。
1.2.1 国外城市智能垃圾箱的研究现状
国际上，许多欧美发达国家已经在智能垃圾箱方面取得了成功，值得借鉴。智能家居方向通过提升人们生活的安全、便利与舒适程度，实现环保节能的居住环境，而智能垃圾箱更是互联网影响下的物联化的体现。
比如英国人发明的太阳能提供动力，实现垃圾压缩的智能垃圾箱，当垃圾箱中的一个传感器在负重达到一定程度时，自动开启设备对垃圾进行压缩。垃圾箱通过一个十二伏的太阳能电池，通过少量的阳光可以对垃圾进行压缩，适合垃圾箱的压缩动力来源与一个12伏的太阳能电池，需要少量的阳光可实现垃圾的压缩，非常适合多雾的英国天气。垃圾箱中还装有简易的蓄电池，可储存晴天吸收的天阳能，令垃圾箱在阴雨天也能正常运行。这样的垃圾箱并未使用公共电网的电，不会造成额外的碳排放，为节能减排做出巨大的贡献。美国制造的bigbelly（大肚王）垃圾箱已得到推广，这种智能垃圾箱利用安装在其上的太阳能电池板供电，配备一无线的手机效率管理和报告系统，把各垃圾箱的状况数据转却实时的传报到管理人员的办公桌上，有CLEAN系统不断监测收集进程，根据三色液晶指示灯运行相应的处理。该智能垃圾箱还有一个巨大的优点是它能够压实垃圾，容纳平常状态的五倍垃圾。
1.2.2 国内城市智能垃圾箱的研究现状
国内的城市环卫智能管理实施的比较晚，但有所发展。目前，很多文献提出在环卫管理的多个方面我国各个城市都有所研究，已经开发或者使用环卫管理系统，但是不够完善。
在我国多个城市，已经提出城市环卫智能化管理方案。2004年10月，北京市宣布建设数字化城市智能管理系统，运用“万米单元网格城市智能管理模式”，正式运行“东城区网格化城市管理信息平台”。此平台对划分的每个网格进行实时监控。长沙市岳麓区从2005年起，开设环卫网站[1]，深层监测岳麓区的环卫工作。并在2008年、2010和2011年都有不断地改进创新，争做一流环卫。2010年济南市提出环卫智能化信息管理系统，在环卫车上安装GPS模块，对环卫车进行监控。2011年金华市推出环卫作业新模式[2]，将环卫工打扫卫生并清运垃圾改为环卫工只清洁垃圾箱，垃圾清运单独处理，这样提高金华市的垃圾清理效率。2011年汕头市开始重视城市环卫的建设，提出实现城市环卫的网格化管理。在环卫保洁、垃圾清运、监督检查等环节采用信息化设备，实现城市环卫的高度监督。同样秦安市结合GPS技术与GIS地理信息系统，对垃圾清运车、粪便车等环卫车进行实时监控。
多个文献也在环卫智能化管理上的技术应用上做了详细的讨论。文献[3]提出动态采集、动态传输的环卫智能公益垃圾箱，利用ZigBee技术将垃圾箱信息以组网的形式发送出去，但zigbee技术的传输距离有线，文献没有根据城市面积大的特点，将信息以远程无线的方式发送到监控中心。在文献[4]提出的分布式环卫车运输管理信息系统中，系统采用无线通信、数据库、GIS等技术监管环卫车运行情况、垃圾处理情况等，做到远程管理，实时做出决策。文献利用GPRS无线通信方式，传输速度有待提高，而且没有用视频摄像头对环卫车进行更加清晰的作业监控。文献[5]以济南市槐荫区为例，开发了基于GIS的环卫管理系统，将垃圾中转、分类、保洁道路、公厕分层管理。改善信息存储方式，减少人力、物力的浪费。文献[6]提出为每一位环卫工、检查员配备一台3G智能手机，将工作信息通过3G网络上传到监控大厅。但此方法投资大，且环卫工配备3G手机工作不灵活。
以上研究发现，我国很多城市都有将环卫管理工作提升上去的思想或者项目实施，但做的都不是很完善，总结起来有几下几个不足：（1）管理机制落后：目前大部分城市环卫部门设立考核小组，每天亲自上路检查环卫工的各项工作，人工记录考核情况，向领导汇报。这种方式缺乏第三方机构监督，很难将工作彻底落实。（2）环卫设施不齐全、对环卫设施监管不全面，信息处理不集中，不能对所有环卫设备进行远程监管。（3）监控不彻底：目前大部分城市对环卫车的监控仅仅局限于路线的监控，没有在环卫车的车身安装摄像头，无法对城市所有环卫车的作业情况进行实时监控。（4）问题不能及时处理：环卫工作现场的视频或者图片信息不能及时上传给负责人，遇到紧急情况也不能及时处理。
本文提出的城市环卫智能管理系统克服了以上的缺点。城市环卫工作和人民的生活息息相关，打造全方位监测的准确、实时、高效的城市环卫智能管理系统，不仅和世界接轨，更是为人民服务。
1.3课题主要研究内容及方向
本课题主要设计与实验一套智能垃圾箱系统，具有超声传感器的垃圾箱能够自动检测垃圾箱内垃圾量、后台工作人员通过短信发送通知环卫工人，实现环卫工人的射频识别与身份验证，并对所有无线传输的信息进行存储。
1.4论文结构安排
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