一种分布式自组网智能垃圾箱清运系统和方法与流程

本发明涉及物联网领域，智能垃圾箱领域，尤其涉及一种分布式自组网智能垃圾箱清运系统和方法。

背景技术：

随着人民生活的不断提高，城镇化的不断推进以及社会的快速进步，生活垃圾产量不断增加，垃圾的清运量也在逐年增长，因此城市中增加了大量的垃圾箱（桶），现在垃圾箱在路旁随处可见，而垃圾分类和处理一直是城市环境卫生的一个重要管理部分。传统的管理方式是，在城市指定地点存放分类垃圾箱，有专人定时或定点处理垃圾，清空分类垃圾箱，实现环境卫生的管理。

在人群集中的地方，如生活社区、旅游景点、商业地带等，容易产生较多的垃圾，而垃圾往往被置放在垃圾箱内，事实上垃圾的数量在时间上和地理上并不是均匀分布。垃圾的处理人员工作时间是定时和定点的，因此很多垃圾不能及时处理，影响市容市貌，甚至影响卫生环境，造成疾病的传播；同时也存在处理人员跑“空车”的现象，造成人力资源上的浪费。

窄带物联网nb-iot(narrowbandinternetofthings)作为物联网领域的一个新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，是万物互联网络的一个重要分支。nb-iot具有以下特点：支持待机时间长，电池寿命至少10年；支撑海量连接的能力，nb-iot一个扇区能够支持10万个连接；对网络连接要求较高设备的高效连接，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖；模块成本低。

lora（longrangeradio）技术是近些年物联网技术的一个飞跃，lora是创建长距离通讯连接的物理层或无线调制，相较于传统的fsk技术以及稳定性和安全性不足的短距离射频技术，lora基于css调制技术（chirpspreadspectrum）在保持低功耗的同时极大地增加了通讯范围。lora技术适用于传输数据量不大，城市中可以覆盖2公里到15公里之间的典型应用，其电池寿命同样10年以上，具有超级节能的优势，此外，lora技术不需要建设基站，一个网关便可控制较多设备，并且布网方式较为灵活，可大幅度降低建设成本。

技术实现要素：

本发明的目的是通过将nb-iot技术和lora技术相结合，组成分布式自组网智能垃圾箱网络，为城市环境卫生管理提供一种廉价的、低功耗的、具有通信能力、可以规划最短路径、且带状态检测功能的智能垃圾清运系统和方法。

为实现上述目的，本发明提供的一种分布式自组网智能垃圾箱清运系统，包含多个主机智能垃圾箱、多个从机智能垃圾箱、云端服务器和垃圾清运负责人终端；

所述系统，在工作范围内划分多个区域，每一个所述区域内包含一位或多位垃圾清运负责人、一个主机智能垃圾箱、多个从机智能垃圾箱，每位垃圾清运负责人有一个垃圾清运负责人终端。

可选的，所述主机智能垃圾箱，包括主控模块、nb-iot通信模块、lora通信模块、gps定位模块、容量检测模块、太阳能能源模块；

所述nb-iot通信模块，用于将主机智能垃圾箱收集到的区域内主从机智能垃圾箱状态信息上传至云端服务器，并与云端服务器进行数据交互；

所述lora通信模块，用于与系统划分区域内的从机智能垃圾箱的lora通信模块进行数据交互；

所述gps定位模块，用于定位所述主机智能垃圾箱所在地的经纬度信息；

所述容量检测模块，用于检测主机智能垃圾箱的箱内容量；

所述太阳能能源模块，用于给主机智能垃圾箱各模块提供电源电能，由太阳能收集板和蓄电池组成；

所述太阳能收集板置于主机智能垃圾箱顶部，用于收集太阳能，并给蓄电池充电，蓄电池连接各个模块的电源，提供电能；

所述主控模块，用于与各模块电连接，负责协调各个所述模块的正常工作，控制数据在各个所述模块间的交互。

可选的，所述从机智能垃圾箱，包括主控模块、lora通信模块、gps定位模块、容量检测模块、太阳能能源模块；

所述lora通信模块，用于与系统划分区域内的主机智能垃圾箱的lora通信模块进行数据交互；

所述gps定位模块，用于定位所述从机智能垃圾箱所在地的经纬度信息；

所述容量检测模块，用于检测从机智能垃圾箱的箱内容量；

所述太阳能能源模块，用于给从机智能垃圾箱各模块提供电源电能，由太阳能收集板和蓄电池组成；

所述太阳能收集板置于从机智能垃圾箱顶部，用于收集太阳能，并给蓄电池充电，蓄电池连接各个模块的电源，提供电能；

所述主控模块，用于与各模块电连接，负责协调各个所述模块的正常工作，控制数据在各个所述模块间的交互。

可选的，所述主机智能垃圾箱和从机智能垃圾箱还为分类垃圾箱，种类至少包括可回收垃圾箱、有害垃圾箱、湿垃圾箱和干垃圾箱。

可选的，所述垃圾清运负责人终端，用于帮助垃圾清运负责人查询区域内智能垃圾箱状态、垃圾清运线路规划，完成垃圾清运工作。

可选的，所述云端服务器，用于接收来自系统工作范围内各个主机智能垃圾箱发送的主从机智能垃圾箱状态信息，根据各个主机智能垃圾箱所在位置划分区域，判定各个区域内需要清运的主从机智能垃圾箱，按照主从机智能垃圾箱所属的分类垃圾箱类别，分类地计算各个区域内各条由需要清运的同类别的主从机智能垃圾箱作为节点所组成的最短路径规划，并按区域将各条路径规划推送至相应的垃圾清运负责人终端。

可选的，所述主从机智能垃圾箱状态信息，包括主从机智能垃圾箱的智能垃圾箱编号信息、智能垃圾箱容量信息、智能垃圾箱gps位置信息和智能垃圾箱所属的分类垃圾箱类别。

本发明还提供了一种分布式自组网智能垃圾箱清运方法，所述方法步骤如下：

s100：从机智能垃圾箱的容量检测模块测量箱内容量，gps定位模块测量从机智能垃圾箱的gps定位；

s200：从机智能垃圾箱将自身的编号信息、容量信息、gps位置信息和所属的分类垃圾箱类别通过lora通信模块循环发送至主机智能垃圾箱；

s300：主机智能垃圾箱通过lora通信模块接收来自各个从机智能垃圾箱的信息并通过lora通信模块发送已经接收到的信息内的从机智能垃圾箱编号；

s400：从机智能垃圾箱通过lora通信模块接收到主机智能垃圾箱发来的属于自身的从机智能垃圾箱的编号后，停止发送数据，进入睡眠状态并等待下一个发送周期的到来；

s500：主机智能垃圾箱测量自身垃圾箱容量和gps定位，周期性的将收集到的主从机智能垃圾箱的编号信息、容量信息、gps位置信息和所属的分类垃圾箱类别信息通过nb-iot通信模块发送至云端服务器。

可选的，所述方法步骤s500后包括如下步骤：

s600：云端服务器根据收到的主从机智能垃圾箱状态信息，划分区域，判定各个区域内需要清运的主从机智能垃圾箱，按照主从机智能垃圾箱所属的分类垃圾箱类别，分类地计算各个区域内各条由需要清运的同类别的主从机智能垃圾箱作为节点所组成的最短路径规划，并按区域将各条路径规划推送至相应的垃圾清运负责人终端；

s700：对应区域的垃圾清运负责人员根据收到的推送，清运区域内需要清运的主从机智能垃圾箱。

与现有技术相比，本发明将nb-iot技术与lora技术相结合，这两项通信技术都为物联网时代下低功耗通信的创新技术，lora技术应用线性扩频的网络技术，可实现独立组网；nb-iot技术应用蜂窝的网络技术，可基站复用；分布式自组网的设计在结构上更合理，在功耗上更节能。

本发明在结构上将系统工作范围按区域划分，采用nb-iot通信模块作为主节点、lora通信模块作为从节点的星型网络拓扑结构，而lora技术的模块成本较nb-iot技术的模块成本更低，所以在系统划分的区域内采用lora技术进行从机智能垃圾箱状态信息的数据传输是高效率且低成本的。lora通信模块负责所在区域内数据的交互，nb-iot通信模块负责连接基站，将所属区域内的数据上传至广域网，最后数据到达云端服务器；本发明提供的分布式自组网智能垃圾箱清运系统可以采集到的每个区域内的所有主从机智能垃圾箱的状态数据，一旦垃圾清运负责人所在区域内的主从机智能垃圾箱出现故障，垃圾清运负责人也可以立即从垃圾清运负责人终端中查看详细位置和详细信息，快速处理故障。

由于lora技术在数据通信时比nb-iot技术功耗更低，在划分的区域内采用lora技术，可以大量降低所划分区域内数据交互的功耗；考虑到主从机智能垃圾箱所处的环境大部分在室外，太阳能充足，由实验测试数据得，采用太阳能能源模块来提供主从机智能垃圾箱的电源，基本无需外部更换蓄电池，从而减少主从机智能垃圾箱维护人员的工作量；同时，区域内主机智能垃圾箱汇总再转发的方法，可以极大的降低终端与云端服务器的连接数量，即便系统的工作范围逐渐扩大，云端服务器的性能需求也不会大幅上升。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为一种分布式自组网智能垃圾箱清运系统结构示意图；

图2为该系统的主机智能垃圾箱模块示意图；

图3为该系统的从机智能垃圾箱模块示意图；

图4为该系统的工作流程示意图。

图中100.从机智能垃圾箱，200.主机智能垃圾箱，300.云端服务器，400.垃圾清运负责人终端，110.主控模块，120.gps定位模块，130.lora通信模块，140.容量检测模块，150.太阳能能源模块，210.主控模块，220.nb-iot通信模块，230.lora通信模块，240.gps定位模块，250.容量检测模块，260.太阳能能源模块。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种分布式自组网智能垃圾清运系统，包含多个主机智能垃圾箱200、多个从机智能垃圾箱100、云端服务器300和垃圾清运负责人终端400；所述系统，在工作范围内划分多个区域，每一个所述区域内包含一位或多位垃圾清运负责人、一个主机智能垃圾箱200、多个从机智能垃圾箱100，每位垃圾清运负责人有一个垃圾清运负责人终端400。划分区域的大小根据实际情况而定，lora技术在城市中可达到2公里到15公里的通信距离，该覆盖范围下的中心位置放置一台主机智能垃圾箱200，组成一个自治通信区域，该区域即可作为系统的划分区域，区域的大小应适合垃圾分类清运车的运作，垃圾分类清运车清运相应类别的垃圾基本可以满载而归且出勤次数合适，比如在城市的中心区域或城市的住宅区，人口密集，垃圾产生量较多、产生密度较大，同时高楼邻里，lora技术的通信范围也会缩小，将区域大小定为2公里到5公里之间就较为合适；如在城市的边缘地区，人口密度稀疏的情况下，垃圾产生量较少、产生密度较小，建筑密度相对稀疏，lora技术的通信范围会较大，将区域大小定为10公里到15公里之间就较为合适；区域内通信自治，网络自组，区域内各个网络结点的信息汇集至主机智能垃圾箱200，再由主机智能垃圾箱200传送至蜂窝网中，区域内主机智能垃圾箱200汇总再转发的方法，可以极大的降低智能垃圾箱与云端服务器300的连接数量，即便系统的工作范围逐渐变大，云端服务器300的性能需求也不会大幅上升，因为云端服务器300只需要连接新拓展的区域内的主机智能垃圾箱200即可。主机智能垃圾箱200负责测量自身状态信息和收集区域内从机智能垃圾箱100的状态信息，从机智能垃圾箱100负责测量自身状态信息和上传自身状态信息至主机智能垃圾箱200，该通信过程是通过lora技术实现的。

如图2所示，主机智能垃圾箱200，包括主控模块210、nb-iot通信模块220、lora通信模块230、gps定位模块240、容量检测模块250、太阳能能源模块260；

所述nb-iot通信模块220，用于将主机智能垃圾箱200收集到的区域内主从机智能垃圾箱状态信息上传至云端服务器300，并与云端服务器300进行数据交互；

所述lora通信模块230，用于与系统划分区域内的从机智能垃圾箱100的lora通信模块130进行数据交互；

所述gps定位模块240，用于定位所述主机智能垃圾箱200所在地的经纬度信息；

所述容量检测模块250，用于检测主机智能垃圾箱200的箱内容量，容量检测模块250可以为测距模块，一般置于主机智能垃圾箱200的箱内顶部，以箱内空余距离代表容量，可在箱内顶部放置多个测距模块，测量时，取各个测距模块的距离均值，以减小误差；

所述太阳能能源模块260，用于给主机智能垃圾箱200各模块提供电源电能，由太阳能收集板和蓄电池组成；

所述太阳能收集板置于主机智能垃圾箱200顶部，用于收集太阳能，并给蓄电池充电，蓄电池连接各个模块的电源，提供电能；

所述主控模块210，用于与各模块电连接，负责协调各个所述模块的正常工作，控制数据在各个所述模块间的交互。

如图3所示，从机智能垃圾箱100，包括主控模块110、lora通信模块130、gps定位模块120、容量检测模块140、太阳能能源模块150；

所述lora通信模块130，用于与系统划分区域内的主机智能垃圾箱200的lora通信模块230进行数据交互；

所述gps定位模块120，用于定位所述从机智能垃圾箱100所在地的经纬度信息；

所述容量检测模块140，用于检测从机智能垃圾箱100的箱内容量，容量检测模块140可以为测距模块，一般置于从机智能垃圾箱100的箱内顶部，以箱内空余距离代表容量，可在箱内顶部放置多个测距模块，测量时，取各个测距模块的距离均值，以减小误差；

所述太阳能能源模块150，用于给从机智能垃圾箱100各模块提供电源电能，由太阳能收集板和蓄电池组成；

所述太阳能收集板置于从机智能垃圾箱100顶部，用于收集太阳能，并给蓄电池充电，蓄电池连接各个模块的电源，提供电能；

所述主控模块110，用于与各模块电连接，负责协调各个所述模块的正常工作，控制数据在各个所述模块间的交互。

优选的，所述主机智能垃圾箱200和从机智能垃圾箱100还为分类垃圾箱，种类至少包括可回收垃圾箱、有害垃圾箱、湿垃圾箱和干垃圾箱，即每个主从机智能垃圾箱都为回收相应类别的分类垃圾箱，每个放置主从机智能垃圾箱的位置可以放置多种类别的主从机智能垃圾箱，同时也应满足位置需求，如餐厅附近可多放置一些用于回收湿垃圾的主从机智能垃圾箱，学校内可多放置一些用于回收可回收垃圾和干垃圾的主从机智能垃圾箱。

优选的，所述垃圾清运负责人终端400，用于帮助垃圾清运负责人查询区域内智能垃圾箱状态、垃圾清运线路规划，完成垃圾清运工作。该终端可以为垃圾清运负责人的智能手机，如此一来，云端服务器300即可将各种数据传送至垃圾清运负责人的智能手机中所对应开发的手机应用或手机小程序。

优选的，所述云端服务器300，用于接收来自系统工作范围内各个主机智能垃圾箱发送的主从机智能垃圾箱状态信息，根据各个主机智能垃圾箱200所在位置划分区域，判定各个区域内需要清运的主从机智能垃圾箱，按照主从机智能垃圾箱所属的分类垃圾箱类别，分类地计算各个区域内各条由需要清运的同类别的主从机智能垃圾箱作为节点所组成的最短路径规划，并按区域将各条路径规划推送至相应的垃圾清运负责人终端。如果按照可回收垃圾、有害垃圾、湿垃圾和干垃圾的标准进行垃圾分类，那么每个划分区域内，会产生四条垃圾清运路径，分别用于回收上述四类垃圾，那么区域内垃圾清运负责人终端收到来自云端服务器300的消息推送后，垃圾清运负责人将会安排区域内的垃圾清运工作，派遣相应类别的垃圾清运车辆进行垃圾清运。

优选的，所述主从机智能垃圾箱状态信息，包括主从机智能垃圾箱的智能垃圾箱编号信息、智能垃圾箱容量信息和智能垃圾箱gps位置信息。

如图4所示，一种分布式自组网智能垃圾箱清运方法，所述方法步骤如下：

s100：从机智能垃圾箱100的容量检测模块140测量箱内容量，gps定位模块120测量从机智能垃圾箱100的gps定位；

s200：从机智能垃圾箱将自身的编号信息、容量信息、gps位置信息和所属的分类垃圾箱类别通过lora通信模块循环发送至主机智能垃圾箱；

s300：主机智能垃圾箱200通过lora通信模块230接收来自各个从机智能垃圾箱100的信息并通过lora通信模块230发送已经接收到的信息内的从机智能垃圾箱编号；

s400：从机智能垃圾箱100通过lora通信模块130接收到主机智能垃圾箱200发来的属于自身的从机智能垃圾箱编号后，停止发送数据，进入睡眠状态并等待下一个发送周期的到来；

s500：主机智能垃圾箱200测量自身垃圾箱容量和gps定位，周期性的将收集到的主从机智能垃圾箱的编号信息、容量信息、gps位置信息和所属的分类垃圾箱类别信息通过nb-iot通信模块220发送至云端服务器300。

优选的，所述方法步骤s500后包括如下步骤：

s600：云端服务器300根据收到的主从机智能垃圾箱状态信息，划分区域，判定各个区域内需要清运的主从机智能垃圾箱，按照主从机智能垃圾箱所属的分类垃圾箱类别，分类地计算各个区域内各条由需要清运的同类别的主从机智能垃圾箱作为节点所组成的最短路径规划，并按区域将各条路径规划推送至相应的垃圾清运负责人终端400；

s700：对应区域的垃圾清运负责人员根据收到的推送，清运区域内需要清运的主从机智能垃圾箱。