城市环卫作业实时监管系统研究.docx

英 文 摘 要城市环卫作业实时监管系统研究摘 要物联网、云计算和大数据等新一代技术的飞速发展，给人们的生活带来了很大的改变，人们越来越注重生活质量和身心健康。随着我国综合实力的不断提升，经济建设的不断发展，国家和政府越来越重视环境卫生这样的民生问题。环境卫生事业得到了快速的发展，特别是城市环卫事业，其中包括人员、车辆、各种环卫设施、甚至垃圾处理场等。利用新一代的信息技术对环卫元素（人员、设施和车辆等）进行科学有效的管理，建立一套行之有效、功能完善的环卫作业实时监管信息系统是促进环卫事业智慧化发展的重要基础，从而促进城市的智慧化发展。本文在广泛调查研究环卫作业的实际工作状况的基础上，发现现有的环卫管理部门重视设备，但管理手段较落后，应用现代科技管理的含量较低，应急指挥和动态调度不够灵活。因此提出本文的研究目标和意义，通过研究分析国内外的实时监管的相关研究成果，将实时监管理论引入到环卫作业当中，并就一般城市的现有环卫作业管理信息系统所面临的问题进行了分析，提出相应的解决方案，并进行了环卫作业实时监管系统的设计与实现。本文设计的实时监管系统，通过全面且透明地感知环卫元素的实时信息，即通过物联网、3G等信息技术对环卫设施和车辆等进行实时数据采集，利用Socket等通信技术建立起广泛而安全地传递信息的渠道，对收集到的信息进行智慧且高效地处理，并进行灵活的调度与可视化的显示，从而提高环卫作业的实时监管，提升城市保洁服务的水平，促进城市环卫事业的智慧化。关键词：实时监管；物联网；信息系统；可视化ABSTRACTThe rapid development of the new generation of technology like Internet of Things, cloud computing and big data, has brought great changes to peoples lives. Environmental health has been the rapid development, especially in urban sanitation utilities, including personnel, vehicles, all kinds of sanitation facilities, and even waste disposal sites, etc. The use of a new generation of information technology for the sanitation element (personnel, facilities and vehicles, etc.) for scientific and effective management, to establish an effective, full-featured real-time monitoring sanitation operations information system is an important foundation for promoting the development of the sanitation business wisdom, thus contributing to the development of wisdom cities.Based on extensive research of the actual working conditions of the sanitation work, we found the existing management attention to sanitation facilities, but management means backward, low levels of the application of modern science and technology management, emergency command and dynamic scheduling inflexibility. Therefore propose research objectives and significance of this thesis, through research and analysis of the real-time regulation of domestic and foreign related research results, the real-time monitoring theory into sanitation work among existing sanitation issues and job management information systems are generally facing the city were analysis, we propose appropriate solutions, and sanitation operations carried out real-time monitoring system design and implementation.Real-time monitoring system designed in this thesis, through a comprehensive and transparent perceive information, widespread and secure transmission of information, wisdom and efficient handling of information, and flexible scheduling with visualization, thereby enhancing the real-time monitoring of sanitation jobs, improve urban cleaning service levels, and promote the cause of urban sanitation wisdom.Key Words：Real-time Monitoring；Internet of Things；Information System；Visualization目 录目 录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 研究意义21.3 国内外研究现状41.3.1 国外研究现状41.3.2 国内研究现状61.4 论文研究内容和组织结构71.4.1 主要研究内容71.4.2 组织结构8第2章 系统关键技术研究102.1 3G技术102.1.1 GIS技术102.1.2 GPS技术102.1.3 GPRS无线通信技术102.2 百度地图API122.2.1 百度地图API应用132.2.2 GPS坐标在百度地图上的转换142.3 物联网技术142.4 Socket通信技术152.5 单片机技术162.5.1 单片机概念及其特点162.5.2 单片机串行通信技术162.6 本章小结17第3章 城市环卫作业实时监管模式设计183.1 环卫行业需求分析183.1.1 环卫行业管理的发展方向分析183.1.2 环卫作业实时监管的需求分析183.2 实时监管系统总体设计203.2.1 环卫作业人的实时监管设计233.2.2 设施实时监管设计233.2.3 环卫车辆实时监管设计243.3 系统通信及数据协议设计253.3.1 系统通信枢纽设计253.3.2 数据库设计273.3.3 数据协议的设计313.4 本章小结34第4章 城市环卫作业实时监管系统实现354.1 系统工作原理354.2 数据采集关键技术实现394.2.1 签到功能技术实现394.2.2 环卫车辆实时监管技术实现404.2.3 智能垃圾桶实时监控设计与实现444.2.4 垃圾处理站的实时监管设计与实现464.3 可视化监管技术实现484.3.1 智能垃圾桶可视化484.3.2 环卫车辆监管可视化514.3.3 垃圾处理站监管可视化524.3.4 统计分析可视化534.4 本章小结54第5章 总结与展望555.1 总结555.2 展望56参考文献57致 谢61城市环卫作业实时监管系统研究第1章 绪论1.1 研究背景城市是人类居住和交易的中心，是经济社会发展到一定阶段的产物。人类社会步入文明时代的主要标志就是城市的出现，它是人类群居生活的高级形式。城市化进程的不断加快，使得城市人口的数量不断上升，城市的规模不断地扩大，城市成为了区域经济和政治文化中心的地位与日俱增1。城市的形态和功能随着人类生产力水平的不断提高而不断演变。很多社会问题也随着城市的飞速发展而不断涌现，如交通拥堵问题，环境卫生问题等2。其中的环境卫生问题关系着每一个市民的切身利益。在城市环境卫生问题中，市容环境卫生，特别是城市保洁工作成为人们关注的焦点，也成为城市发展所必须解决的重要问题。城市保洁工作与人民生活息息相关，城市保洁服务涵盖各行各业。每一个居住区、每一个活动场所和每一个市民都会参与到保洁管理当中。它是各个企、事业单位和各级政府所关心的重要问题。城市管理的一个最基本的工作就是城市保洁，直接反映城市面貌和管理水平的窗口工程，对城市形象的树立具有十分重要和深远的意义。“城市，让生活更美好”的主题主要体现在“清洁、优美、和谐、安全”的城市形象上，营造城市干净美好的环境更是树立城市形象的首要内容。这些问题的解决需要充分利用新技术、新手段、新方法。新的智慧环卫建设理念的核心是物联网、云计算和大数据等新一代技术，这是一种环卫管理发展的全新模式。智慧环卫的建设，有利于解决城市环卫问题，有利于提升环卫信息管理水平，有利于促进环卫高端产业的发展3-7。智慧环卫作为解决城市保洁问题的主要手段，它通过全面且透明地感知信息、广泛而安全地传递信息、智慧且高效地处理信息，提高环卫管理与实时监管，提升城市保洁服务的水平，促进城市可持续、智慧化发展。以此手段可以有效感知、决策与调控，让市民感受智慧环卫带来的智慧服务和应用8。信息技术作为智慧环卫的基础设施，随着信息技术的飞速发展，城市互联网站和大量接入网络的智能终端设备（智能手机、RFID、无线传感器、视频设备等）时时刻刻都会生产并传送海量的信息数据。“2011年，国际数据公司（IDC）发布的数字全球研究指出，全球信息总量每过两年就会增长一倍。此外，根据中国互联网信息中心（CNNIC）发布的第33次中国互联网网络发展状况统计报告统计，到2013年12月底，互联网普及率不断上升到45.8%”。由此可知，网络开始成为城市经济和社会发展不可或缺的平台，并全面影响着城市环卫作业，使获取大量反映人们活动，城市保洁的数据成为可能，城市环卫的“大数据时代”已经到来9。智慧环卫系统需建立集基础服务、指挥调整、监督管理、考核评价于一体的信息化环卫管理平台，实现对环卫工作人员、运输车辆、道路清洁、垃圾运输和处理的实时监管调度。在智慧环卫的建设中环卫作业的实时监管是一个重要内容，受到国家建设部、国家环境保护局等部门的重视。然而传统的环卫监管方式还存在很多问题。其一，相对于市政管理，处于落后阶段的还是环卫信息化建设。当前环卫事业上的主要投资，还基本停留在买设备的初级阶段。不能建立起一套行之有效的决策支持系统，为环卫作业的实时监管提供信息化的支持。其二、对环卫作业过程中的安全、效率、操作规范等问题缺乏有效的监管手段。其三，由于缺乏实时监管作业机械、环卫设施以及清扫保洁质量的有效手段，很难及时掌握各小区、街道等地的道路清扫保洁作业的工作效率和效果，难以对突发性的紧急情况做出及时的响应和正确的指挥与调度，因此环卫作业过程中的实时调度和应急指挥能力较低。如何通过实时监管手段来提升环卫作业人员、车辆的工作效率，如何提升环卫日常作业服务水平，如何最大限度地发挥先进设备的作用，如何避免作业过程中出现的违规驾驶、超速驾驶、擅自改变路线、改变环卫作业车辆的车速和随意停放等违规行为，如何避免垃圾运输所造成的二次污染等一系列问题急需当前的环卫系统去解决。1.2 研究意义统计资料显示，全世界平均每年的垃圾增长速度为8.42%，而中国垃圾增长率高达10%以上，已然成为全世界垃圾包围城市最严重的国家之一10。全世界每年会生产4.9亿吨的垃圾，而仅中国就有近1.5亿吨的城市垃圾11。相对应的，城市垃圾处理率却只有50%左右。目前，中国城市平均每人每天生产垃圾约1公斤，每人每年生产垃圾达440公斤。与垃圾的快速增长相对应的是环卫日常作业成本的日益膨胀。另外一方面环卫设施的建立也是一个城市不可或缺的投入，然而它们的利用率却不是很高。由于传统的环卫监管系统存在的诸多问题，本文研究的内容涉及到物联网、计算机信息系统系统架构、网络技术和数据库技术等领域范畴，最根本的目标是希望能够为智慧化的环卫监管提供技术支持，以实现智慧化城市。目前的城市环卫监管系统基本都处于相对独立而自成体系的阶段，环卫作业中的信息感知都还只是停留在关键几点部署昂贵的传感器和监控摄像头，缺乏泛在感知的能力，数据的利用还很少，大都只存储在关系数据库中而没有进行充分的分析处理，数据的利用效率和手段都还有待提升。本文希望能够融合信息系统架构理论，构建从感知层、传输层、数据层再到应用层的城市环卫作业实时监管系统的数据收集、管理与应用的技术体系，提升环卫作业的实时监管效果，促进智慧化环卫的建设。具体来说，实现城市环卫作业实时监管系统主要有以下几点好处。（1）合理规划环卫收集、运输、处理设施传统的垃圾收集设施，它们的安装地点不一定是合适的。有些地方的收集装置有可能处于闲置状态，利用率很低；而另一些地方的装置有可能超负荷运转，造成资源的浪费。通过建立实时监管系统，利用系统收集的大量的作业数据，进行数据挖掘等分析处理，找出环卫设施最佳的摆放地点。（2）优化环卫作业模式传统的环卫车辆出勤运输垃圾，是按照安排好的排班计划来执行的。在固定时间走的固定路线，将垃圾运往固定的垃圾处理站，缺乏灵活性，实时性。本文所介绍的系统能够改善这类问题，通过对环卫对象的实时监管，接收收集而来的数据并进行分析处理，计算出有利的出勤路线。（3）提高环卫作业管理效率通过对每个环卫对象的实时监管，能够掌握它们的实时状态，提前预判它们行为，为实时的指挥调度提供决策支持。如由于突发情况，出现了新的需要处理的垃圾，这时候系统会自动搜索，分析处理相应的数据，对最近的出勤车辆下达临时改变路线的通知。大大提升突发事件处理应变能力，提升系统的管理效率。1.3 国内外研究现状城市管理经历了从“数字城管”到“数字城市”，再到“智慧城市”的重要历程。同理城市环卫也经历了从“数字环卫”到“智慧环卫”的发展历程。“物联网”技术等新技术在环卫管理中的广泛应用是“智慧环卫”的重要标志之一。未来十年，这些新技术的发展和运用将对“智慧环卫”的发展和人民生活产生深远的影响。1.3.1 国外研究现状1998年的1月31日，美国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心开幕式上发表了一个演说，题为数字地球：展望21世纪我们这颗行星，在当中他提出“数字地球”这个概念。“在三维地球框架上，按照地理坐标集成的空间数据及相关信息，构建一个数字化的地球，为人们认识、改造和保护地球提供一种重要的信息源和新的技术手段”。2006年，随着物联网、云计算等新一代技术的正式推出，加快了对城市信息系统的综合集成与整合应用的进程。最早的“智慧地球”概念是国际商业机器公司IBM在2008年底提出的。次年初，美国总统奥巴马肯定了这个思路，旨在打破金融危机，为社会经济发展带来新的动力，标志着城市逐渐由数字化向智慧化转变12。智慧城市13，是智慧地球中的一个重要组成部分，为智慧地球中人与社会生活最贴近的一个环节，占据着非常重要的地位。智慧城市是以新一代技术为核心的、知识社会创新2.0环境下的城市形态。它涉及多种技术和工具的集成于应用，致力于营造有利于创新的环境，为实现可持续发展做基础。在智慧城市中有一个举足轻重的部分就是智慧环卫14，环境卫生与人民生活结合十分紧密，其中包括垃圾设施的规划、管理，垃圾运输与回收，道路清洁等问题。这些都涉及到物联网技术，国外在这方面有先进的经验15。（1）澳大利亚的RFID应用为了降低纸质数据的重复输入，提升数据的精确性，降低人员费用，确保数据的安全性，制造垃圾回收箱的公司Mastec对RFID技术进行了相应的测试，在大范围内对很多垃圾箱进行监测，通过得到的数据来验证RFID技术在实时监管领域的作用。Mastec公司请Datanet公司为其开发了一套集成软件系统，每个垃圾箱配有一个唯一的识别码，印有目的地址的标签，粘在垃圾箱上。软件由四个重要组件组成，电脑软件将政府组织的数据表导入数据库；WEB服务组件，处理移动设备传输到中央数据库的数据传送；RFID组件，通过网络接口，实时监控垃圾箱数据发送。该系统不仅可以节省成本，还可以实现数据的精确化。（2）美国的RFID应用美国Richfield Management公司利用RFID技术，鼓励当地民众对垃圾进行再循环处理。这套系统使用RFID标签，标签被封装在坚固且具有粘附性的外壳里，并贴在垃圾回收箱的正反两面。它们有同一个ID号，且唯一。当垃圾收集车沿着预定路线行驶时，安装在车辆内的RFID阅读器读取每个垃圾箱的ID号。阅读器与驾驶室内的GPS接收器单片机相连。对标签的读取和车辆GPS坐标数据的采集、处理有利于实时追踪当地垃圾运输车和垃圾清运状况。美国克利夫兰市的新垃圾收集系统，是在垃圾运输车上嵌入RFID芯片和条形码。这个项目帮助克利夫兰市政府节省了开支。在全球很多城市都在尝试在垃圾箱上植入RFID，帮助市政府对环卫中的垃圾清运进行实时管理。（3）芬兰的RFID应用在芬兰，垃圾的回收正在成为一项专门、精细的产业。芬兰的宾馆中用易于回收的纸袋（纸袋中含有RFID标签）取代原有的塑料袋。宾馆、旅店在收齐袋子后，会在上面贴上相应色彩的标签，然后将其投入普通垃圾桶中。垃圾袋在被垃圾回收公司运送到公司后，会自动侦测出标签中的RFID电子标签，垃圾袋会被机械手清空后集中到专门的存储箱中，而垃圾将被传送到相应的垃圾储存箱或压缩机，减少不必要的垃圾填埋。澳大利亚、美国和芬兰等国在多年前就开始将现代化的科技手段运用到环卫事业上，并取得了很好的效果，在提高了工作的效率的同时降低成本。1.3.2 国内研究现状早在1995年，中国推动全国信息化的“八金”工程就标志着城市信息化建设的开始起步。到了1998年，我国初步建成了数字城市基础架构的就有300多个城市，国家测绘地理信息局发布在互联网上的“天地图”成为了数字城市和数字中国的载体，已有很多网民在使用。2009年8月，国家总理温家宝就提出了“感知中国”的理念，“物联网”也写入了“政府工作报告”。2009年11月3日温总理向首都科技界发表一篇重要讲话，在其中他强调“着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研究，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机”。2010年的政府工作报告中，温家宝总理再次指出：将“加快物联网的开发应用”，并纳入重点产业振兴计划。在国家政策的鼓励下，许多城市也在积极地建设实践16。（1）济南数字城管体系济南市数字化城市管理系统由一个市级中心和11个区、县级中心组成。市中心、区（县）中心、市专业局、街道办通过网络互联互通，形成“两级监督、两级指挥、三级处置、多级协同”的城市管理网络系统17。城管部通过事件的立案、分析、处置、回复、核查、综合考评等几个处理环节的操作，迅速处理城市管理问题。济南数字城管系统先后开发了业务处理、指挥监督、决策管理等13个软件系统，购入安装了网络通讯、服务器存储等6大硬件系统，并建有约240平方公里的基础地理数据，完成了对180平方公里、7个大类、50多万个部件的测量和普查。最后进行了6个区、57个街道办、389个社区、约3500个单元网格的划分，建立了部件信息数据库和连续影像数据库；建立起一套数字化城市管理制度与监督考核体制。该系统新增加了应急调度指挥、移动指挥、辅助决策等八大功能。在市区的重要地段，自行建了15个高点远眺视频监控点来强化视频监管。与市政公用局12319业务系统进行了数据流的接入和防洪视频共享，接入市气象局云图，整合系统，达到统一指挥调度。（2）杭州数字化城市管理2005年7月杭州数字化城管系统，建设部将其确定为全国首批10个实验数字化城市管理建设的一个试点单位。杭州数字城市管理系统运用3S（GIS、RS、GPS）空间信息技术、地理信息技术、无线电通信及网络技术等现代化技术手段，通过将城市划分为若干个管理网络，整合管理资源，建立城市管理新模式，将信息采集、问题解决、监控评价进行整合形成完整的管理链，成为“闭合回路”的管理新体系18。杭州数字城市管理系统的基本流程是：信息采集员发现问题并通过移动终端将数据及时传送到市城管信息中心受理平台，进行分类后转入协同平台，再由协同平台向本部门或基层作业单位下达指令。作业单位接收到指令后，依指令处理问题并将结果反馈给协同平台进行审核，确认后再回馈给信息中心。对不合格的反馈信息进行重新督办，再次下达指令，直至问题解决。综上所述，国内外专家学者从不同的角度对智慧城市进行了研究，智慧城市在实际建设中也取到了一定的成果。但是它们对智慧城市中的智慧化环卫这一领域研究的很少，尤其是缺乏将新技术与该领域进行深度结合，使得环卫信息资源得以共享和协调。因此，针对国内外信息技术的发展现状，结合中国城市环卫建设的现状，研究一套智慧化环卫信息服务体系觉有实际价值。1.4 论文研究内容和组织结构1.4.1 主要研究内容本文以一般城市为研究对象，并考虑该城市在未来一段时间内的发展需求和经济状况，提出一种运用新技术来推动城市环卫作业的智慧化建设的方案。该方案中利用现代信息采集技术，设计实现对环卫作业对象的实时信息采集，并通过大数据分析，进行决策，实现实时调度，提升环卫作业效率，提高城市环境卫生状况。本文在熟悉国内外研究现状的基础上，以物联网等新一代信息技术为基础，设计出一套城市环卫作业实时监管系统。然后根据需求分析，对各个部分功能模块进行设计，采用自己定义的数据协议来完成数据的传输及功能实现。最后通过可视化技术对采集回来并进行分析处理的数据进行展示，给人以直观的感受。本文研究的是智慧环卫中非常重要的一个部分，城市环卫作业实时监管系统。它的设计实现最能体现环卫系统的智慧化，实现“城市，让生活更美好”的主题。本文主要是在应用方面创新，其创新点如下。通过研究物联网等新一代技术，给垃圾桶安装单片机，内嵌RFID芯片、传感器和GPRS模块，给环卫车辆安装智能设备、在重要的环卫设施场地安装视频监控，运用信息化技术与数字化平台将实时监控及日常作业考核相结合，将监管对象传输回来的数据进行可视化的分析与展示，建立智慧型环境卫生监管机制，运用高科技手段优化城市管理模式和提升监管工作效能。1.4.2 组织结构本文的组织结构如下：第1章：绪论本章主要介绍了相关的背景和国内外研究情况。第2章：系统关键技术研究本章主要分析了系统研究中需要用到的相关技术和理论知识，包括了3G技术、单片机技术、物联网技术等。第3章：城市环卫作业实时监管模式设计本章主要是通过对环卫行业管理方向和系统的需求分析得出设计思路，接着提出系统的整体设计方案及功能结构，最后进行系统通信设计、数据库设计和数据协议设计。第4章：城市环卫作业实时监管系统实现本章是整篇文章的重点，介绍了系统实现原理，主要包括系统各部分与各模块之间的信息传输过程。其中的功能实现部分从四方面进行详细研究：智能垃圾桶、环卫车辆、监管中心和垃圾处理站。环卫车辆实时监管的工作原理，主要从RFID模块、GPS模块和GPRS模块进行深入研究；智能垃圾桶功能的工作原理，主要从传感器模块、RFID模块和GPRS模块进行深入了解；最后对监管中心的可视化展示进行设计与实现。第5章：总结与展望针对自身研究做出总结，同时指出研究中的不足和今后的研究重点。- 62 -第2章 系统关键技术研究2.1 3G技术2.1.1 GIS技术GIS中文名为地理信息系统（Geographic Information System），地理空间数据库是地理信息系统的基本，这个技术系统在计算机软硬件的支撑下，结合系统工程和信息科学的理论，对空间属性的地理数据进行科学管理和综合分析，以提供管理、决策等所需信息19。简而言之，GIS是一种对地理空间数据进行综合处置的技术系统，它的基础为测绘测量，它的数据源是对数据储存和使用的数据库，以计算机软件开发为平台的全球空间分析即时技术。地理信息系统作为采集、存储、分析和管理地理空间数据的重要设施、技术和学科，近年来得到了越来越多的重视。2.1.2 GPS技术新世纪最常用的卫星定位技术就是GPS技术20。它最早是由美国国防部设计研发出来给军队用的。它由三部分组成：宇宙空间、监控地面和用户设备21。通过接收机与三个卫星之间的距离，根据三点定位的原理来确定接收机的位置就是它的运行机制原理22。其中测距定位的主要原理是：每颗卫星都将不间断地向外发送请求数据，这些数据中就包括卫星在该时段的坐标。接收机接收到发送来的信息后进行记录，并用接收机自己的时间减去信息发送时间，也就是信息在传输过程中消耗的时间，再乘以信息传播的速度就可以得到接收机与卫星的距离23。GPS作为一种导航系统对空间交会定点进行定时和测距，它在民用领域（如灾害预测、市政规划、交通管制、工程建设、精确定时、线路选择等）的应用受到人们越来越多的关注24-25。2.1.3 GPRS无线通信技术GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）是一种采用分组交换技术传输数据和信令的高效率传输数据的方式，它允许用户在分组交换模式下发送和就收数据，从而提供一种便宜高效的无线分组数据业务26。目前，计算机技术的飞速发展给车辆与服务器端通信的方法带来了多种改变，其中主要分为两类有线和无线。有线传输一般采用电台传输或专用集群通信这两种方式；无线通信则包含GSM短消息通信、GPRS分组传输26。在目前的环卫事业中，采用相对较多的通信技术是电台广播、GSM短消息和GPRS无线分组通信业务。数字电台设备费用较低，可靠性也较好，但是它的传输范围很有限，且容易受到干扰在传输过程中27。因此，需要专业人员维护系统，确保传输正常，造成人力和物力的费用就比较大。所以，不太适合在环卫事业中长期使用。集群通信系统的缺点在于覆盖范围小，它的优点是拥有高效的响应。若想扩大范围就需要多建基站，这样建设成本就相当可观。所以，对一般城市的适用性不好。GSM短消息的通信方式弥补了前两者的覆盖范围小的不足。它是目前运用相对广泛的通信方式。但是，它的不足之处在于会受到移动网络的影响，稳定性不能保证。例如消息滞后等状况，而且每条短消息有传输字数的控制，不得超过160个字符。这对于多数连续行驶的环卫车来说，相隔几秒就发送一条短信，所带来的通信费用非常多。GPRS技术是种过渡技术，它介于2G和3G网络之间，又称2.5G28。它的优点包含覆盖范围大、传输效率高、连接速度快还可以一直在线29。它是按流量收费的，所示价格相对便宜，而且可以自己定义数据的传输格式。用户可以得到GPRS技术提供的四种质量服务（Quality of Service），同时还能对其进行配置协商30。它支持IP等协议，可以接通到互联网中，非常适合环卫作业中的实时数据传输。GPRS网络是建立在已有的GSM网路上，它在上面增加了一些节点，重要有SGSN和GGSN两类31。环卫车辆终端将需要传输的数据处理后发送给BBS，在经其传输给SGSN节点，接着通过GPRS网络与GGSN节点相连。建立连接通信后，GGSN将得到的数据经防火墙传输给Internet外网。通过提前设定好的地址等一系列参数来寻找对应的服务器，服务器在接收到数据后进行处理，沿着同一条线路再将数据传输回去。整体通信原理如下图2.1所示。图2.1 GPRS工作原理Fig. 2.1 Working principle of the GPRS根据上述的通信原理，决定环卫车辆终端的上网方式采用集成技术，车辆终端通过GPRS网络与Internet外网连接，实现环卫车辆与监管中心服务器间的数据交互。这种通信方法的优点是：对于移动的对象，可以无线上网；而且使用这种方式的价钱低廉，操作方法简便，安装和维护也相对简单；特别地适合城市地区，上网覆盖范围大。2.2 百度地图API结合环卫实时监管系统的特有需求与现有GIS的软件的应用情况，百度地图作为一款免费的地图服务应用接口，是开发环卫实时监管平台很好的选择。2010年4月23日，百度地图宣布，正式开放地图API。百度地图API免费提供一套基于百度地图服务的应用接口给开发者，包括JavaScript API、Web服务API、Android SDK、IOS SDK、定位SDK、车联网API、LBS云等多种开发工具与服务，提供基本地图展示、查询、定位、逆/地理编码、路线规划、LBS云存储等功能，适用于个人电脑端、移动端、服务器等多种产品，多操作系统下的地图应用开发32。百度地图JavaScript API是一套由JavaScript语言编写的应用程序接口。百度地图API不但包含创建地图的基本功能接口，而且还提供了诸如本地查询、线路选择等数据服务。适用于PC或移动设备端的基于浏览器的开发。JS版本还为用户开放了开源库，简化开发。百度地图Web服务API包括Place API、Geocoding API、Direction API，能够快速响应用户的请求，返回xml&Json 数据。就百度地图API目前政策，若用户使用该套API，需要先申请key。其中Place API使用受限，其他均无限免费使用。2.2.1 百度地图API应用地图API是由JavaScript语言编写的，在使用之前需要通过标签将API引用到页面中：其中参数v为API当前的版本号，目前显示的是1.2版本。地图需要一个HTML元素作为容器，这样才能在页面上显示出来。这里先创建了一个div元素的容器：创建地图实例API使用BMap作为命名空间，所有类均在该命名空间之下，比如：BMap.Map、BMap.Control、BMap.Overlay。位于BMap命名空间下的Map类表示地图，通过new操作符可以创建一个地图实例。注意在调用下面的构造函数时应确保容器元素已经添加到地图上。其参数可以是元素id也可以是元素对象。var map = new BMap.Map(container1);在创建地图实例后，需要对其进行初始化，用BMap.Map.centerAndZoom()方法，并设置中心点坐标和地图缩放级别。 地图只有在初始化后才可以执行其他操作。这里使用BMap命名空间下的Point类来创建一个坐标点：var point1 = new BMap.Point(113.404, 35.915);Point1类描述了一个地理坐标点，其中113.404表示经度，35.915表示纬度。通过centerAndZoom()方法进行初始化：map.centerAndZoom(point1, 10);其中point1为中心点坐标，10代表缩放级别。地图在被实例化和初始化后就可以进行交互操作了。API中的地图对象与百度地图网站上交互的地图在外表与行为上极为相近。它支持很多交互功能，包含滚轮缩放、双击放大、鼠标拖拽等。也可以通过修改配置来改变这些功能。此外，您还可以通过编程的方式与地图交互。百度地图Map类提供了几个修改地图状态的方法，以及丰富的控件和地图覆盖物，还提供了大量的事件、工具、服务等。 2.2.2 GPS坐标在百度地图上的转换国际经纬度坐标标准是WGS-84（这也是GPS设备所得到的坐标），中国国家测绘局规定，为了安全起见，国内出版发行的地图必须至少对地理位置进行首轮加密，使用国测局制定的GCJ-02。百度坐标在此基础之上，进行了BD-09再次加密措施，更加保护了个人隐私。百度对外接口的坐标系并不是GPS采集的真实经度和纬度，要将采集的GPS坐标准确地显示在百度地图上，需要通过坐标转换接口进行转换。目前，百度为用户提供两个坐标转换接口：此接口支持一次转换一个GPS坐标，要批量转换坐标，需要调用批量坐标转换接口：此接口支持一次转换20个GPS坐标。由于是在浏览器端，通过Javascript调用百度地图坐标转换接口，进行坐标转换，所以在很大程度上要受网络带宽及浏览器的性能等因素限制，加之批量转换接口，也仅仅支持一次转换20个GPS坐标，这种方法有时也不能满足在短时间内，大量转换坐标的要求。为此，我们可以先建立一个，利用坐标转换接口的百度地图纠偏数据库来满足需要。2.3 物联网技术物联网技术33-35是以射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）等传感设备为基础，将传感器设备与互联网进行连接通过物联网网关，并实现信息通讯与交换，构建物体识别和跟踪的智慧管理环境。物联网的核心可以归纳为：有效的感知、广泛的互联互通、深入的智慧化分析处理、个性化的体验36。目前对于物联网而言，主要的支撑技术有传感器技术、二维码技术、RFID技术、M2M技术、SOA技术、云计算技术等。这些技术被运用于不同的领域，并在不同的领域里实现信息共享，促进共同发展。本文主要运用到了RFID技术。RFID（Radio Frequency Identification）是一种射频识别技术，属非接触式自动识别技术30。通过射频信号，RFID 读写器会自动识别目标对象并获取相关信息，识别工作无须人工干涉，可在各种糟糕环境中识别高速运动物体和多个标签，操作快捷方便37。最基本的 RFID 系统由电子标签（RFID 卡）、天线、读写器等3部分组成38。 电子标签39，电子标签中存储有目标信息，由耦合元件及芯片组成，有的标签内含有天线，用于和射频天线间进行通信。 天线，天线是一种传递射频信号的装置，在电子标签和阅读器之间，天线可以分为内置天线和外置天线两类。 读写器40，读写器是读取或写入标签信息的设备，是 RFID 系统的核心，读写器对电子标签的操作分为 3 种，分别是：识别和读取 UID，读取用户信息，写入用户信息。2.4 Socket通信技术系统的监管中心，作为服务器，是用于接收和处理数据的，并将数据反馈给移动的环卫车辆，实现实时监管的目的。其中包含有Socket通信、数据存储、数据处理和数据可视化展示。Socket也被称为套接字41。主要功能就是使得应用层和传输层可以进行数据交互。它主要是将应用程序，所谓的进程、套接字、端口号和终端的IP地址进行关联，端对端之间的连接被唯一确定下来42。进程在传输层之间拥有两种不同的传输方式，分别是UDP和TCP。前者不能确保不出错，后者有正确性保障，它又被称为流套接字形式。Socket通信实际就是应用程序之间通过一个信息链路进行数据通信，每一端都有一个socket程序43。服务器与客户开始先调用Socket()建立一个套接字Socket，然后服务器调用Bind()对网络地址和端口号进行绑定，接着服务器调用Listen()使套接字处于被动接受状态，同时限定请求队列的上限；随后调用Accept()来接收客户的连接，服务器进程也就进入阻塞状态。客户端通过调用Connect()与服务器进行对接，服务器被动应答响应并建立通信，客户端就可以与服务器进行数据交互，数据传输结束后，双方再调用Close()结束套接字，结束通信43。2.5 单片机技术2.5.1 单片机概念及其特点单片机就是单片的微型计算机，它是将计算机的各个部分的功能部件，包含运算器和控制器（CPU）、存储器和多种接口等集成在一个芯片上，因此它也被称作微控制器或微处理器44。从它的名字不难看出，它在一个小的芯片上集合了计算机的多种功能，因此具有高度的集成性。本文研究的系统采用MSP430混合型单片机，它包括多种接口如串行通信接口和数模转换接口。最重要的是它的价格便宜、使用方便，比较容易实现产品化，很好地与其它设备组合，实现产品一体化，这也是本文采用它作为控制处理模块的最重要因素45。2.5.2 单片机串行通信技术大多数的单片机都采用串行通信，而串行通信的数据传输方式有两种：同步传输和异步传输46。异步传输就是按帧传输数据，有起始位和停止位，作为字符开始的标志，它的特点是同步字符用户可以自己定义，通信时可以通过用户自己定义的同步字符区别数据块的类型，且数据格式中不需要起始位与停止位47。MSP430单片机使用串行异步通信，它含有多种模式，包括普通模式（UART）、线路（多机）模式、地址（多机）模式和波特率自定义检测模式48。本系统对单片机的具体工作原理不做详细研究。单片机与其他部分间的接口可以经由RS232或RS485两种方法来对接。（1）RS232接口采用简单的数据格式，一个起始位和一个停止位，不设奇偶校验位，波特率以9600bit/s为主。（2）RS485接口大都先用RS232-RS232进行转换。使用RS485接口，数据传输分三种。第一种收到数据后主动上传；第二种被动传输是读写器接收到电子标签数据时，等待命令上传数据；第三种是收到数据后间隔10s的不间断的发送数据，等到有回应命令时停止。2.6 本章小结本章对全文研究的相关技术和相关理论进行了阐述，并对通信方式进行选择，作为文章的理论研究基础，分别对3G技术、SOCKET通信技术、单片机技术、百度地图API及物联网技术进行了阐述，是本文研究的关键内容。首先，介绍的3G技术用于对环卫车辆进行定位；然后，介绍了实现系统的主要技术：物联网技术和百度地图API，这几项技术对下一章的设计提供了技术理论基础；接着还介绍了Socket通信技术，它是数据接收的理论依据；最后，介绍了控制通信模块的单片机技术相关知识。通过对关键技术的研究，选择GPS技术作为环卫车辆的定位设计；GPRS技术作为车辆和智能垃圾桶与监管中心的数据通信设计；RFID技术作为环卫车辆与智能垃圾桶和垃圾处理站之间的通信设计。第3章 城市环卫作业实时监管模式设计3.1 环卫行业需求分析3.1.1 环卫行业管理的发展方向分析通过第一章节中现代城市环卫的国内外研究现状的了解，可以看出现代城市环卫管理已成为一门综合性的边缘科学，环卫管理的主要内容有该行业管理的目标、标准和手段。它的发展方向可以从以下几个方面来阐述。（1）从原有的经验式向科学化管理转变。科学化管理相比与经验式管理的优点是，制定一套严格、规范、科学的综合评判、危机处理等方面的可操作性的指标体系49-50。科学的城市环卫管理拥有现代信息系统，其中包含环卫信息采集系统、处理系统、应用系统、指挥系统和公共服务系统。管理好一座现代化的大都市不能只依赖简单的经验。（2）从政府到人人参与的管理机制。建立一个以政府为主导，社会力量的营利和非营利组织，让普通市民能够一起参与到环卫管理当中，将会使得城市的环卫管理更加科学化。如某路段出现需要清运的垃圾，由于环卫管理部门没有及时发现，路过的市民就可以通过手机拍照将信息发送给环卫管理，管理部门就可以通知附件环卫工人进行处理。这样可以使得环卫管理社会化。（3）从简单的行政管理到应用新兴科技全方位管理。现在的城市环卫管理可以综合运用3G技术、物联网技术等新技术，构建一张城市环卫综合管理系统网，实现环卫管理的科学化、信息化、高效化。3.1.2 环卫作业实时监管的需求分析城市环境卫生状况影响着一个城市的形象，城市市容的整洁直接关系到每一个市民的生活质量。人们关注的焦点尤其是城市保洁，这是城市发展所必须解决的一个重要问题。它是一个城市的城市面貌和管理水平的窗口工程，“清洁、优美、和谐、安全”的城市形象，最能体现出“城市，让生活更美好”的主题，努力提升城市清洁环境才是树立城市形象的首要内容。在当今这个信息技术高速发展的时代，将监控管理与信息技术相结合是必然的趋势。通过信息化来提高监管水平，利用监管手段来促进信息技术的发展，两者相辅相成促进共同的进步。然而原有的环卫管理方式面临许多的问题。（1）重设备、轻管理、信息化落后环卫信息建设还是处于相对落后的阶段。目前大多数环卫事业上的投入基本还处于在买车辆、买设备的阶段。不能很好地利用已有的信息系统来提高环卫人员、作业车辆的工作效率，提升环卫作业日常的作业水平，发挥先进设备的作用，已成为目前环卫系统急需解决的一些主要问题。同时对生产作业过程中的安全、效率、操作规范等问题缺乏有效的监管手段。如何避免作业过程中出现的违规驾驶、超速驾驶、不按规定路线行驶、改变作业车速及随意停放车辆等违规行为，避免垃圾运送过程中造成不必要的二次污染，业已成为目前环卫监管系统中的现实问题。（2）实时调度和应急指挥能力较低第一，由于缺乏实时监管作业机械、环卫设施以及清扫保洁质量的有效手段，很难掌握城区各种道路清扫保洁作业的工作效率和效果，所以难以对现场紧急情况做出及时响应和正确的指挥调度