全港食物分享雪櫃智慧供應鏈
背景
九龍三育中學內的兩個共享雪櫃
我們校園在2022 年初安裝了一個雖然不會製冷, 但裡面滿載食物的雪櫃, 可讓有需要的同學帶食物回家分享。 經老師解說, 原來雪櫃是來自「 滿櫃膳糧」 ，一個由不同慈善機構、社企，以及商業機構所組成的社會資源的共享計劃。把棄用雪櫃改裝成為食物分享櫃，放置在不同地區，為有需要食物的人仕提供適切幫助。
本年 空間數據共享平台大獎 的主題是「環境 (environmental)、社會 (social) 及管治 (governance)」(“ESG”)，我們希望以食物分享櫃，加上STEM和空間數據應用技術， 去探討如何達致ESG。
確保櫃內物資不缺才可發揮真正幫人的作用
食物分享櫃 + STEM + GIS
滿櫃膳糧分享櫃的食物是來自一些剩餘食材又或是快將到達保鮮期的食物, 這些食品本來可能會被浪費掉, 但籍著分享櫃, 這些食物可被重新分配給需要的人, 促進可持續性來支持環境目標。
我們學校也有參與其中，在校園放置了兩個由同學親自粉飾的共享雪櫃。上學年，有同學在 ArcGIS Online 製作了分享雪櫃分佈的電子地圖，以便公眾有需要時搜尋雪櫃的位置，能學以致用，又幫到人，是非常快樂的事。
後來我們又發現，雪櫃內的存貨完全依賴義工人手管理。義工不時要實地現場逐個雪櫃檢查，才可以確保共享櫃有足夠存貨，不會對有需要者造成不便。若共享櫃欠缺物資而未能及時填補，市民就白走一趟，達不到計劃原來的目的。在智慧城市的年代，這實在是不應發生的事。 加上現時雪櫃位置散落在港九不同地區，分佈不平均，甚至供不應求的現象。
有見及此，我校同學提出構建全港食物分享雪櫃智慧供應鏈計劃
目的
- 遙距顯示存貨狀態，減省義工職員檢查時間，並使義工職員可及時補貨。
- 分析現時雪櫃地點，並作出改善建議。
方法
食物分享櫃 + STEM
- 利用超聲波感應器探測資源存貨量。以感應器及物聯網構建「監察存量傳感器」及相關網絡，並能實時更新全港資源共享櫃存庫地圖，從而優化資源共享櫃補充庫存的流程。
食物分享櫃 + GIS
2. 利用開放空間數據，包括 2021 人口普查、大綱規劃圖、樓宇分佈及樓齡等公開數據，作出空間分析，評估現時資源共享櫃分佈情況，並找出潛在位置以增設更多共享櫃。
靈感來源： Fernandes, R., Martins, J., & Silva, R. (2021). Arduino-based IoT solutions: A review. Journal of Network and Computer Applications, 174, 103966. Liu, Y., Xiong, Y., & Xu, C. (2019). Research on the demand evaluation of community shared resource cabinets based on GIS. Journal of Physics: Conference Series, 1238(1), 012030.
食物分享櫃 + STEM
監察存量傳感器
- 運用超聲波感應器和 Arduino 開發板，編寫一個發射超聲波探測冰箱內的物資儲存量和接受探測裝置的程式代碼。
- 於物聯網平台 Thingspeak 建立專用頻道。為Arduino編寫程式使其連接WiFi，經互聯網將物資儲存量信號傳送到Thingspeak頻道。
- 編寫Argis Online地圖的Featured Layer，讀取Thingspeak的數據並在地圖上逐一顯示物資儲存量。
- 優化系統，例如為Arduino編寫一個待機模式的程式，減少用電。
靈感來源：Yang, X., Zhang, X., & Liu, C. (2020). IoT-based resource management: A review. Journal of Network and Computer Applications
1. 運用超聲波感應器感應雪櫃內的空間
超聲波感應器原理簡述圖
超聲波感應器原理
利用聲波在空氣中的傳播來計算距離 聲波速率為 340 米/ 1秒 距離 = 速率(固定) × 時間(量度)
感應器由發射器和接收器兩部份組成 發出的聲波行進到物件時會反射至接收器 由發射至接收的時間/2 便可計算距離 [距離 = 速率 × 時間]
2. Arduino開發板及其編程
編程構想圖
靈感來源：Hsu, C. C., Chang, Y. C., & Li, C. H. (2019). IoT-based smart parking system using a hybrid distance sensing method. Sensors
2. 編程
感應器：
- 利用Arduino開發板控制感應器發射超聲波,並紀錄發射和接收回聲之間的時間，從而計算雪櫃內的空間。
- 以雪櫃內的空間判斷有貨/缺貨。當感應器距離 > 30cm(此設定數字需經過雪櫃尺寸的量度)，為之空置。
- 當一個雪櫃有多個感應器，所有感應器前都空置才是缺貨，所以運用了「和」的條件關係。
- 判定有貨/缺貨後，數據會經過互聯網上傳到 Thingspeak ，以供遙距讀取。
WiFi：
為連接Wifi, 同學選用了內置了WiFi芯片的 ESP8266 Wemos D1R1 開發板。
編程時只需要下載和引用開發板中的文件庫(Library)，並在程式裏輸入登入WiFi的指令和相關資料就可以連接WiFi。
連接網絡後把數據發送到物聯網平台 Thingspeak。
Sleep Mode：
爲了電池有更長的持續時間，同學在編程中加入了Sleep Mode功能，使開發板進入睡眠， 把大部份秏電的功能都關閉。
同時，需保持定時器和GPIO 16接口正常運作，以喚醒開發板。當RST(Reset)接口連接GPIO 16時，它便具有喚醒功能。RST是高電壓，GPIO 16 發送低電壓到RST時，開發板便會被激活。
3. 硬件及安裝
雪櫃尺寸量度、裝置位置和電線路徑設計
1.將程式輸入在Arduino WeMosD1R1開發板。
2.量度目標雪櫃的尺寸，設計開發板、電池和感應器的安裝位置。 並預先設計電線的路徑以準備合適長度的電線。
硬件材料
一件WeMosD1R1開發板
一個wifi蛋
一塊便於接線的特製子板 (daughter board)
兩個超音波測距 HC-SR04 (數量根據雪櫃尺寸和間隔調節)
一卷3M雙面膠紙
連接方法
實驗結果
我們分別在兩所設有共享雪櫃的學校: 九龍三育中學安裝感應器及測試成功、優才(楊殷有娣)書院小學部，初時因為量度距離的programing錯誤，因此傳送指令是數據無法正常運作。經再次嚐試作出改善，最後安裝過程一切順利。 實驗結果如下
這一段錄影顯示出物品只放在上層時，網站是表示有存量 (變成1)。
這一段錄影顯示出物品只放在下層時，網站是表示有存量 (變成1)。
這段錄影顯示出當雪櫃裏的物品拿完一段時間後，網站會表示雪櫃裏沒有存貨 (由1變成0)。
我們的測試地點為 : 1.九龍三育中學(詩歌舞街校舍) 及 2.優才(楊殷有娣)書院小學部。
我們為每所地方的sensors 設定了2個channels (有及沒有食物)，而每個channel會有2個react。(如右圖)
第一個react是當傳感器偵測到有貨物的時候會顯示1 ，偵測到沒有貨物時會顯示0。
thingspeak是怎麽將data顯示到dash board呢？
- 其實它是通過HTTP來傳送 首先由http：開始到applyEdits？這段是在找feature layer的地址。
- 然後從token到edits=是訪問的token。
- 最後一小段可以看到OBJECTIB：27 這個27其實是優才書院的代號 ；STATUS：“Y”（Yes）代表有貨物 當STATUS：“N”（No）時代表沒有貨物。
結果如下: 地圖會每1分鐘自動更新
全港共享雪櫃分佈地圖
藍色: 感應器能探測到雪櫃裏有食物 紅色: 感應器探測到雪櫃裏暫時沒有食物 灰色: 有待將來安裝傳感器的共享雪櫃位置
食物分享櫃 + GIS
現時分享雪櫃的地理位置分布
Hmmm... we can’t seem to find that content
Please try again later
資料來源： 滿櫃膳糧
我們為了評估現時計劃的成效，運用了ArcGIS Online工具,分析現時食物分享雪櫃的位置，評估他們是否能夠有效幫助有需要人士。
1. 15分鐘可達度步行分析 2. 人口分佈與雪櫃位置分析
食物分享雪櫃15分鐘可達度分析
這幅地圖顯示了每個雪櫃的十五分鐘步行路程內的覆蓋範圍。
從上可見每個雪櫃的可達度十分高，而且多數雪櫃主要分佈於弱勢社群相對較多之地區，例如深水埗有 8 個; 油尖旺有 6 個; 東區有 4個; 觀塘有 2 個); 沙田有 2個; 大埔有 2個; 荃灣有 1個; 北區有 1個 。
我們認為雪櫃位置能接觸主要的弱勢社群。接下來，我們會從本港地區人口結構分析印證上述觀點。
18區人口數據分析
以下分析是應用統計處的人口統計空間數據（小規劃統計區－大合併組統計數字)，以地圖可視化方式表達地區需要與社區雪櫃位置之關係。
1 教育程度分析
這幅地圖呈現本港15歲及以上人口的受教育程度，設定最高就讀程度為小學時的地域分佈，顏色越深（深啡色）指該地區受教育程度只有小學程的比例最多，反之亦然。
由於我們假設教育程度差異與收入高低成正比關係，上圖可見大多數雪櫃主要集中在色階較深地區（即當區人口學歷較低），預料對社區雪櫃需求亦相對較大，故現時雪櫃擺放位置合理。
下一部分我們會分析各區收入情況，審視雪櫃擺放位置是否滿足地區需要。
2 收入分析
這幅地圖呈現本港工作人口（不包括無酬家庭從業員），其每月主要職業收入少於港元6,000 的地域分佈。顏色越深（深綠色）指該地區每月收入少於港元6000的工作人口越多，反之亦然。此圖色階跟上圖大致相同，可見兩者為正比關係。這幅地圖分佈可見大部分雪櫃主要集中在色階較深地區及附近（即當區低收入人口比例較多），預料居民對社區雪櫃需求亦相對較大，故現時雪櫃擺放位置亦合理。
下一部分我們會分析各區家庭住戶居住情況，審視雪櫃擺放位置是否滿足地區需要。
3 人口居住分析
這幅地圖顯示出居住在臨時房屋的人口，顏色越深（深紅色）代表該地區居住在臨時房屋的人口越多，反之亦然。
右圖可見, 新界西, 新界北, 港島南, 離島等居民, 對社區雪櫃需求很大，故未來雪櫃的位置應先考慮安置在這些地區。
以上分析, 証明現時雪櫃位置能滿足社區低學歷、低收入的家庭需要。但由於具體成效受當區人數、環境、發展藍圖等因數影響，我們需要更多資料研究社區雪櫃的發展方向，期望可攻有效幫助更多有需要市民。
資料來源： 資料一線通 DATA.GOV.HK
對現時共享雪櫃設置地點的建議
為了引証我們上面的分析 -- 新界西, 新界北, 港島南, 離島等居民, 對社區雪櫃需求很大，我們亦同時進行了問卷調查。
問卷調查
- 我們設計這份問卷的目的是收集大眾對構建全港食物分享雪櫃智慧鏈供應的意見
- 收集足夠的數據去改善滿櫃善糧的計劃
問卷介紹
問卷截圖
我們使用 Survey123 ，在問卷中特別設計了其中幾條問題(建議可放進食物櫃的物資，受訪者建議新增食物分享櫃的地點)。
我們使用了 Dashboard清楚地顯示問卷的結果。
問卷
調查結果
實時問卷結果顯示
受訪者的年齡大多為31-60歲，他們的建議地點散落在新界區和九龍區，而較多人建議在深水埗區安置新的食物分享櫃。此外，在「食物分享櫃能有效幫助有需要人士嗎？」這個問題中，大部份受訪者回答同意或極同意。而在問「本校所提倡的以傳感器優化食物櫃，補充庫存的流程能提升管治效能嗎？」這個問題中平均分為8.8/10，問卷結果顯示受訪者十分滿意我們的計劃。
總結
通過我們一個月的不懈努力，以及用心研究地理空間數據智識和STEM (IoT)技術知識，進行這次調查及安裝感應器，我們希望能藉此幫助弱勢社群，使他們可以在雪櫃中找到足夠的資源，亦可以避免到達雪櫃地點而沒有物資的情況。過程中我們雖然遇到好多阻滯, 但我們深信這個計劃是值得繼續發展的。我們期望將來有更多時間同空間, 做出改善，例如準確度、以鏡頭和AI技術分析資源類別、硬件安裝的美觀等等。
滿櫃膳糧分享櫃可以通過減少浪費和促進可持續性來支持環境目標。透過滿櫃膳糧收集食品，這些食品本來可能會被浪費掉，但在滿櫃膳糧的幫助下被重新分配給需要的人。這有助於減少浪費，降低對環境的不良影響。 其次，滿櫃膳糧對社會目標也有積極影響。滿櫃膳糧提供食物援助，可以幫助緩解貧困問題，改善社區的健康和福祉。這有助於增強社區的凝聚力和社會責任感，促進社會公平和包容性，打造更加公正和平等的社會。 最後，滿櫃膳糧也需要具備良好的治理機制來確保其有效運作。這包括透明度、問責制、合規性和道德標準等方面。這些治理要求與ESG框架中的治理要素相似，因此，滿櫃膳糧可以通過遵守ESG標準來提高其治理水平，增加其可持續性和社會責任感。
我們期待這計劃可真正落實在全港各地的資源共享櫃，真正幫助滿櫃善糧提高營運效率。甚至將這裝置技術概念應用在其他範疇，例如物料倉儲系統、監測長者藥物存量等等，幫助更多有需要的人。
鳴謝 : 1. 滿櫃膳糧及義工 2. 優才(楊殷有娣)書院小學部楊美玲副校長
九龍三育中學高中科學組故事地圖簡介
參考文獻
Fernandes, R., Martins, J., & Silva, R. (2021). Arduino-based IoT solutions: A review. Journal of Network and Computer Applications, 174, 103966.
HKSTEM.Club. (n.d.). HC-SR04 / HC-SR04P 超聲波傳感測距模組. https://hkstem.club/products/hc-sr04
Hsu, C. C., Chang, Y. C., & Li, C. H. (2019). IoT-based smart parking system using a hybrid distance sensing method. Sensors, 19(14), 3073.
Liu, Y., Xiong, Y., & Xu, C. (2019). Research on the demand evaluation of community shared resource cabinets based on GIS. Journal of Physics: Conference Series, 1238(1), 012030.
Yang, X., Zhang, X., & Liu, C. (2020). IoT-based resource management: A review. Journal of Network and Computer Applications, 154, 102494.
