一种基于激光测距的城市垃圾桶容量检测系统的制作方法

本发明属于智能物联网技术，具体涉及一种基于激光测距的城市垃圾桶容量检测系统。

背景技术：

为了适应城市发展规模的需要，通常在城市小区中部署大量的垃圾箱，而环卫人员数量通常与垃圾清理任务量不相适应，从而造成现有的垃圾清理存在箱内垃圾持续堆积、垃圾外溢、清理不及时等问题。目前，为了解决此问题，通常通过增加环卫人员和清理频次的措施，但这会增加人力成本和环卫人员的负担。如果能够实时监测垃圾箱中的垃圾容量，自动通知环卫人员清理，可以有效节约环保成本。因此，本发明设计一种基于激光测距的城市垃圾桶容量检测装置。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于激光测距的城市垃圾桶容量检测系统。

技术方案：本发明的一种基于激光测距的城市垃圾桶容量检测系统，包括激光测距装置和显控系统(例如srb2.0)，所述激光测距装置包括激光测距传感器单元、定位单元、处理器单元、无线通信单元和电源单元，所述激光测距传感器单元测量收集垃圾箱内垃圾容量数据并传输至处理器单元；定位单元获取垃圾箱所在的位置并传输至处理器单元；处理器单元用于处理系统的逻辑事件：控制激光测距传感器和定位单元的工作模式、对两者数据进行融合操作和接收显控系统的命令，无线通信单元用于不同装置之间的远程通信，电源单元为其他单元的正常运行提供所需的能量；所述显控系统包括指令传达模块、数据存储模块以及数据显示模块；传达的指令包括发送采集任务类型、设备运行参数以及更新系统参数，数据存储即是指将采样数据永久存储到本地的关系数据库，数据显示是指将采样数据实时可视化显示；根据将网络中的功能将激光测距传感器单元、定位单元、处理器单元和无线通信单元划分为协调器、路由器和终端。

其中，所述激光测距装置设置有两种工作模式，即正常模式和报警模式；正常模式中，用户实时获取激光测距传感器的测量结果；报警模式中，当激光传感器所得数据超过预定阈值，例如垃圾深度值超过垃圾桶的80％，并且两个激光测距值小于桶宽的一半，发送报警信息。

进一步的：所述激光测距传感器单元包括两个分别安装于垃圾桶内部侧壁的激光测距传感器，通这过两个激光测距传感器数据的判比，反映垃圾桶内垃圾的分布。

进一步的：所述激光测距单元采用两个激光测距传感器，以获取垃圾箱中垃圾容量；所述处理器单元控制激光测距传感器的工作方式、采样垃圾箱容量值的任务，执行生成网络拓扑结构、数据融合；所述无线通信单元采用zigbee通信技术；所述定位单元采用gps模块获取消息的精确位置；所述电源单元采用微型锂电池。

进一步的：所述用户通过显控系统监测各个垃圾箱垃圾容量信息、电池剩余电量、无线信号质量以及垃圾箱坐标位置，各个激光测距装置上传的数据实时存储在关系数据库，并将其可视化，以便于用户做出决策。

进一步的：所述垃圾桶的高度为h宽度为w，两个激光传感器分别一左一右安装于垃圾桶深度值为0.8h处的侧壁，这两个激光测距传感器位于同一水平面上且相互错位，两者独立工作，其具体检测过程包括以下情况：

(a)经过10秒间隔的多次监测，左右两个激光传感器得出对应的激光测距值wl和wr；若发现wl＝wr＝w，则判定垃圾箱内的垃圾量没有达到垃圾桶高度的80％，环卫人员不需要执行清理任务；

(b)经过10秒间隔的多次监测，左右两个激光传感器得出对应的激光测距值wl和wr；若出现wl>w/2且wr＜w/2的情况或出现wl＜w/2且wr>w/2的情况，此时垃圾达到80％，垃圾箱内垃圾为异常分布，仍然存在容量空间，此时若判定垃圾箱内的垃圾量低于预定阈值，则不会发出报警，环卫人员不需要执行清理任务；

(c)经过10秒间隔的多次监测，通过左右两个激光传感器得出激光测距值wl和wr；若出现wl＜w/2且wr＜w/2情况，则判定垃圾箱内垃圾为正常分布，此时若判定垃圾箱内的垃圾量高于预定阈值，环卫人员需要执行清理任务。

进一步的：将监控区域内众多的装置，划分为一个协调器、少量的路由器和众多的终端；协调器进行成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发；路由器执行应用任务、以及将协调器的命令分组转发至终端、将终端的数据分组转发至协调器；终端执行来自路由器的命令分组，并将数据分组发送至路由器；路由器具备数据融合能力，利用路由器的本地计算和存储能力处理数据的融合，去掉冗余信息，从而降低路由器的能量消耗；通过配置三种不同类型的激光测距装置，便可以形成一个自组织的、多跳的、簇状无线传感器网络；该无线传感器网络采用路由算法和mac算法对通信装置进行直接访问和控制。

进一步的：所述网络拓扑结构通信模式包含点播、组播和广播；点播模式下，用户实时查询监测区域内某个激光测距装置的垃圾深度值；组播模式下，用户实时查询监测区域内若干个激光测距装置的垃圾深度值；广播模式下，用户实时查询监测区域内所有激光测距装置的垃圾深度值；且上述网络通信模式均可实现单次性和周期性运行；单次运行模式下，处理器单元只上传一次数据；周期性运行模式下，处理器单元将按照显控系统指定的时间间隔上传指定次数的数据。

有益效果：本发明利用显控系统和激光测距装置的结合，方便环卫人员实时获取监控区域内所有垃圾桶中垃圾容量，从而决策是否清理垃圾桶，这将极大地改善目前的垃圾清理现状，降低清理垃圾的运行成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的激光测距装置安装图；

图3为本发明的显控系统；

图4为本发明的网络拓扑图；

图5为本发明三种检测情况示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种基于激光测距的城市垃圾桶容量检测系统，包括激光测距装置和显控系统，激光测距装置包括激光测距单元、定位单元、处理器单元、无线通信单元和电源单元，激光测距传感器单元测量收集垃圾箱内垃圾容量数据并传输至处理器单元，激光测距传感器单元包括两个分别安装于垃圾桶内部侧壁的激光测距传感器，通这过两个激光测距传感器数据的判比，反映垃圾桶内垃圾的分布；定位单元获取垃圾箱所在的位置并传输至处理器单元；处理器单元用于处理系统的逻辑事件，无线通信单元用于不同装置之间的远程通信，电源单元为其他单元的正常运行提供所需的能量；显控系统主包含指令传达、数据存储以及数据显示部分组成；传达的指令包括发送采集任务类型、设备运行参数以及更新系统参数，数据存储即是指将网络数据永久存储到本地，数据显示是指将网络数据实时可视化显示；

其中，激光测距装置设置有两种工作模式，即正常模式和报警模式；正常模式中，用户实时获取激光测距传感器的测量结果；报警模式中，当激光传感器所得数据超过预定阈值，即垃圾深度值超过垃圾桶的80％，并且两个激光测距值小于桶宽的一半，发送报警信息。

如图5所示，上述垃圾桶的高度为h宽度为w，两个激光传感器分别一左一右安装于垃圾桶深度值为0.8h处的侧壁，这两个激光测距传感器位于同一水平面上且相互错位，两者独立工作，其具体检测过程包括以下情况：

(a)经过10秒间隔地多次监测，左右两个激光传感器得出对应的激光测距值wl和wr；若发现wl＝wr＝w，则判定垃圾箱内的垃圾量没有达到垃圾桶高度的80％，环卫人员不需要执行清理任务；

(b)经过10秒间隔地多次监测，左右两个激光传感器得出对应的激光测距值wl和wr；若出现wl>w/2且wr＜w/2的情况或出现wl＜w/2且wr>w/2的情况，此时垃圾达到80％，垃圾箱内垃圾为异常分布，仍然存在容量空间，此时若判定垃圾箱内的垃圾量低于预定阈值，则不会发出报警，环卫人员不需要执行清理任务；

(c)经过10秒间隔地多次监测，通过左右两个激光传感器得出激光测距值wl和wr；若出现wl＜w/2且wr＜w/2情况，则判定垃圾箱内垃圾为正常分布，此时若判定垃圾箱内的垃圾量高于预定阈值，环卫人员需要执行清理任务。

处理器单元控制对应激光测距传感器和定位单元的工作模式，接收两者的数据并执行数据融合操作，执行生成网络拓扑结构、时间同步、安全技术；无线通信单元采用zigbee通信技术；定位单元采用gps模块获取消息的精确位置；电源单元采用微型锂电池。

用户通过显控系统监测各个垃圾箱垃圾容量信息、电池剩余电量、无线信号质量以及垃圾箱坐标位置，各个激光测距装置上传的数据实时存储在本地关系数据库，并将其可视化，以便于用户做出决策。

将监测区域内所有装置划分为协调器、路由器和终端三种角色，以节约装置的电量，同时提高网络的可靠性和鲁棒性。协调器进行成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发；路由器执行应用任务、以及将协调器的命令分组转发至终端、将终端的数据分组转发至协调器；终端执行来自路由器的命令分组，并将数据分组发送至路由器；路由器具备数据融合能力，利用路由器的本地计算和存储能力处理数据的融合，去掉冗余信息，从而降低路由器的能量消耗；通过配置三种不同类型的激光测距装置，便可以形成一个自组织的、多跳的、簇状无线传感器网络；该无线传感器网络采用路由算法和mac算法对通信装置进行直接访问和控制。网络间装置的通信模式包含点播、组播和广播；点播模式下，用户实时查询监测区域内某个激光测距装置的垃圾深度值；组播模式下，用户实时查询监测区域内若干个激光测距装置的垃圾深度值；广播模式下，用户实时查询监测区域内所有激光测距装置的垃圾深度值；三种通信模式均可实现单次性和周期性运行；单次运行模式下，处理器单元只上传一次数据；周期性运行模式下，处理器单元将按照显控系统指定的时间间隔上传指定次数的数据。

实施例1：

如图1所示，本实施例的一种基于激光测距的城市垃圾桶容量检测系统，包括激光测距装置和显控系统的功能框图，而激光测距装置包括激光测距单元、定位单元、处理器单元、无线通信单元及电源单元。

如图2所示，本实施例中工作人员可将激光测距装置垂直安装于垃圾桶的左右两侧的内壁。启动激光测距装置时，只需要拨动装置开关即可。同时，激光测距装置提供指示灯便于用户观察装置的运行状况，其中，黄灯常亮表示该装置进入网络，红色闪烁表示装置接收到命令，绿灯闪烁表示装置发送数据。

如图3所示，本实施例中工作人员通过显控系统设置传感器网络的通信模式、运行模式、采样模式以及采集任务类型，监测垃圾桶内垃圾容量、电池电量、无线信号质量以及坐标位置。通过显控系统，工作人员还可更新装置的发射功率和运行时间，同时将传感器网络上传的数据实时存储在关系数据库中。

显控系统包含相关功能。在“文件”菜单栏中，有“连接数据库”、“删除数据库”、“系统参数”，“退出”子选项。“连接数据库”的作用是：选中某个数据库,系统将连接该数据库。“删除数据库”的作用是：选中某个数据库,系统将删除该数据库中的全部数据。“系统参数”的作用是：用于设置节点、组的数量、输入缓存区大小、是否创建串口日志以及数据库连接密码，该操作具有保存功能，若下次运行本软件,则系统默认选择本次参数。“退出”的作用是：退出软件。若串口打开后,上述操作皆不能操作。

在“采样”菜单栏中，有“深度信息”、“节点能量”、“无线信号”，“坐标位置”子选项。“深度信息”的作用是：用于获取当前节点的垃圾箱深度信息。“节点能量”的作用是：用于获取当前节点的能量信息。“无线信号”的作用是：用于获取当前节点的的发射功率、rssi以及lqi。“坐标位置”的作用是用于获取当前节点的二维坐标信息。

在“运行”菜单栏中，有“启动”、“暂停”子选项。“启动”的作用是：显示数据库中的采集数据。“暂停”的作用是暂停从数据库读取数据,此时界面将不再更新数据库中采样数据。

在“更新”菜单栏中，有“发射功率”、“同步时间”子选项。更新操作,只有打开串口后方能操作。“发射功率”的作用是：用于调节节点的发射功率，当选择该选项,需要配置工作参数。工作模式可以分为单播、组播、广播，在单播模式下,选择组id和节点id；在组播模式下,则选择组id。发射功率的调节范围从1到16,值越大,则发射功率越强。“同步时间”的作用：统一网络中的所有节点的时间。

在“统计”菜单栏中，有“深度”、“拓扑”、“能耗”子选项。统计操作,只有“启动”操作被执行后，方能操作。“深度”的作用是：用于统计各个节点历史深度值以及实时显示当前所有节点的深度值。“拓扑”的作用是：用于显示节点的坐标并统计网络中各个节点情况,以及显示区域内节点的深度值。“能耗”的作用是：用于统计各个节点历史能以及实时显示当前所有节点的能量值。

在“帮助”菜单栏中，有“操作说明”、“版本信息”子选项。“操作说明”的作用是：给出软件的使用说明书.“版本信息”的作用是：给出软件的相关信息。

如图3所示，要使激光测距装置正常工作，显控系统需要为其配置正确的参数：端口号、波特率、校验位、数据位、停止位。

(1)端口号–系统会自动识别当前电脑中的可用串口，并默认选择串口.

(2)波特率--默认设置为115200

(3)校验位--默认设置为“none”

(4)数据位--默认设置为8

(5)停止位--默认设置为1

当以上串口参数完成设置后，即可以点击“openserial”按钮，经过约2秒后，若串口打开成功，则按钮的背景颜色变为绿色，并显示“closeserial”；若打开失败，则弹出错误对话框。

显控系统能够为装置设置正常和报警的工作模式。在正常模式下，用户可自由地获取各个垃圾箱的深度。在报警模式下，只有当垃圾箱深度高于某一阈值，节点才会上传数据。

显控系统能够为装置设置单次和周期的运行模式。单次模式，即用户让节点只上传一次数据。周期模式，即用户让节点按照指定时间间隔上传指定数量的数据。在周期性运行模式下，时间间隔可设置'10s','30s','1m','2m','5m','10m','30m','1h','2h'(s-秒，m-分钟，h-小时)；运行次数可设置'5','10','30','50','100','200','500','inf(无限次)',系统默认的工作参数组合为时间间隔为1m，运行次数为10。

显控系统能够为装置设置点播、组播和广播的通信模式。在单播模式下，输入正确格式和范围的组id和节点id，系统默认组id为1和节点id为1(协调器)。在组播模式下，输入正确格式和范围的组id合节点id，组号必须大于2。

接收数据更新速率的默认值是1s，用于读取数据库中数据并显示到界面的更新速率。

串口正常打开后，此时界面出现节点的信息表。点击菜单栏或工具栏中“启动”，则信息表将按照“接收数据更新速率”中的值更新节点参数。同时上侧将出现“查询”和“分析”操作选项。当串口发送命令，则界面左下角的tx处将显示发送数据量，用户发送不同类型的命令，则tx背景颜色将不同。当串口接收数据，在rn处显示接收到的数据个数、在rx处显示接收到的数据量，串口收到不同类型的数据，则rx背景颜色将不同，tx和rx的对应相同的类型的命令和数据，背景颜色将相同。点击“clear”按钮，将tx和rx的背景颜色变为白色，将数值清零。而rn的清零，则只需将鼠标移动到该位置，右击即可清零。

显控系统的查询可以分为单个节点查询、组查询和全查询。在单个模式下，选择需要查询的节点id，在组模式下，选择需要查询的组id。分析选项可以进行温度、拓扑和能耗的分析。

如图4所示，本实施例的网络拓扑图中，城市垃圾桶容量检测应用通常采用层次型的网络结构。首先协调器建立网络，路由器和终端依次加入网络，从而形成网络的拓扑结构。协调器以无线方式与用户的服务端相连(pc端或手机端)，用户操作显控系统发布检测任务给协调器，协调器广播命令至所有的路由器，路由器负责将协调器的命令转发给终端，终端只负责采集任务。待终端完成采集任务，首先将数据发送至路由器，其次路由器进行数据融合后，路由器最终发送至协调器，协调器发送的数据被传输至显控系统。通过此分层网络，用户可以实现远程数据分析和实时监控垃圾箱内垃圾容量。