基于數字信息技術的智能環衛系統開發

孫來等

摘 要：隨著生活水平提高，環境衛生已是被廣泛關注的問題，由于目前環衛監管技術手段的不完善，違規傾倒、倒買倒賣現象時有發生，對周邊居民生活、環境帶來了極大損害。文章提出了一種RFID（無線射頻動態存取技術）、GPS（全球定位技術）、GPRS（移動通訊技術）、GIS（地理信息技術）等多項數字信息技術于一體，對環衛車輛統一管理的信息化系統平臺。從功能上，設計了在途車載終端和車輛監控平臺兩個子系統。其中，在途車載終端完成車載貨物重量信息、定位信息、電子標簽信息的數據采集，通過GPRS無線上傳至服務器平臺。監控平臺可實時觀測車輛的作業位置、行駛路線、有無違章行為，并進行量化統計，生成收集垃圾的數據報表，作為分析和考評的依據。該系統平臺經實際使用，能達到預期效果，車載系統符合國家安全管理規定，在環衛行業監管工作中，具有很高實用價值和推廣意義。

關鍵詞：無線射頻識別；車載稱重；GPS定位；GPRS通訊；地理信息系統

目前，環衛車輛監控系統能夠實現車輛定位的監控，但不能進行對車載貨物重量的實時監控。在車載終端數據上傳方式上，采用的通信方案依次有無線電臺、集群通信網和GSM短信息服務。根據國內實際使用的情況來看，無論是無線電臺、集群通信網還是GSM短信息，效果都不理想。集群通信網有優先等級，調度功能強，加密性能好，但同時規模經濟效益差，通信成本高，可靠性差。GSM網具有了漫游和越區切換功能，在廣域車輛監控系統中占有很大優勢。但實際上GSM短信息服務還是不能滿足GPS車輛監控系統中數據實時傳輸的要求。文章通過GPRS移動通信網絡將數據包通過無線透傳至載有GIS地理信息的服務器平臺，節省數據上傳的費用，實現數據集成上傳。

1 系統的原理和功能

RFID射頻讀卡器掃描生活垃圾桶的標簽ID，進行無線射頻動態存取；GPS技術對環衛車輛進行全球定位；GPRS技術實現對車輛的有效數據無線傳輸；最終通過數據信息集成，建立了統一管理的信息系統。

根據功能要求，設計了在途車載終端和車輛監控平臺兩個子系統。其中，在途車載終端主要采集三種類型的數據：車輛GPS定位數據、垃圾桶電子標簽數據、單桶垃圾重量數據。通過安裝于車上的稱重傳感器及組件構成的車載稱重裝置、稱重控制單元實現對單桶重量信息的獲取及算法處理，GPS模塊采集車輛的定位信息，射頻讀卡器讀取到電子標簽信息，融合之后的數據一并發送至車載主機設備，通過GPRS無線傳輸模塊上傳至車輛監控平臺，整個系統流程如圖1所示。

2 系統的硬件設計

智能環衛車輛監管系統的硬件設計包括GPS接收機、稱重傳感器、稱重控制單元、RFID射頻讀卡器、車載主機、電源轉換系統、車載顯示儀表、GPRS無線傳輸模塊等，其中6組稱重傳感器均勻分布在車體大梁兩側，采集到的重量信號經二級硬件差動放大及濾波后，信號傳輸至稱重控制單元，信號進行軟件濾波，以消除車體的振動帶來的誤差，實現高精度的動態稱重。RFID射頻讀卡器掃描生活垃圾桶的標簽ID，采用超高頻920MHz～925MHz頻段實現長距離的讀取，并且可以同時讀取多張標簽卡。車載主機接收到標簽號和車載重量信號，以及對應的GPS接收機的地理坐標，進行算法處理及融合，一是在車載顯示儀表上顯示車載重量，標簽號信息；二是通過GPRS無線傳輸模塊無線透傳至服務器。車載電源管理系統為上述所有硬件電路提供穩定的動力能源。

2.1 稱重信號采集放大濾波電路

稱重傳感器以貼有應變片的彈性體為敏感原件，在外接激勵電源后，輸出與外加負荷成正比例的模擬電壓信號。在應變敏感區域表面上粘貼R1、R2、R3及R4四片（組）應變計，組成惠斯汀電橋，當受外力F作用時，彈性體變形，引起應變計R1、R3受拉伸，電阻值變大；R2、R4受壓縮，電阻值減少，使電橋失去平衡，輸出與外力F成正比的電壓信號。稱重傳感器的負荷較小時，即電阻的相對變化量近似成線性關系，此時對測量的精度影響不大，但隨著傳感器所收到負荷增大，應變片電阻變化量不斷增大，輸出信號的非線性也越來越大，最終導致測量精度超出可控范圍，如圖2所示。

2.2 車載電源管理系統

車載一般載有兩節蓄電池，工作電壓為12V，沒有其他的備用電源，故其工作的可靠性和穩定性尤為重要。根據系統各部分正常工作的需要，本系統輸出電壓值分為9伏、5伏和3.3伏三個檔。車載電源管理系統，對車輛提供的12V 12000mAh蓄電池進行電壓調節，其主要用于以下三個方面：

（1）采用穩壓芯片MIC5205將電源電壓穩壓到5V后，給稱重傳感器電路、GPS接收機、液晶顯示電路、GPRS無線傳輸模塊供電。

（2）經過一個二極管降至10V左右后，采用隔離回掃開關穩壓器LT1424-9，輸出穩定9V電壓供給讀卡器電路。

（3）為了能夠穩定的給車載主機MCU提供穩定足夠的電量，采用LM1117/LM1117I-800mA穩壓器，其固定輸出電壓為3.3V、5.0V和可調版本的電壓精度為1%。固定電壓為3.3V的輸出電壓精度為2%，1A輸出電流時僅為5V。車輛電源管理系統的電路圖，如圖3所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計分為兩個部分，一是車載主控制器的程序設計，實現對各個車載傳感器及模塊的實時控制和通信，最終將數據上傳至服務器平臺；二是基于GIS界面的監管系統設計，將上傳的數據量化統計，顯示在城市地圖上，以便于監控和管理。

主程序設計的流程如圖4所示，上電開始工作后，系統判斷是否在正常工作模式下，如果在非工作階段，則保持低功率待機模式，一旦接受工作觸發信號，DSP開始對內置寄存器初始化，并高速運行。對電子標簽的識別是對于是否開始稱重的初始條件，一旦讀卡器識別到合法標簽后，則發送至車載主機，觸發中斷信號，開始對稱重傳感器進行數據采集。這樣既保證了標簽號與所稱得的重量數據相匹配，同時也節省了片內資源，減少重復多次的數據采集和計算。因為稱重信號的工況為戶外，而且車體本身一直處于啟動狀態，所以處理器對采集的數據進行二次軟件濾波，提高稱重的精度。同時GPS模塊也將實時的地理位置信號傳送至處理器，數據融合之后的數據包通過GPRS無線傳輸模塊上傳至監控服務器。

4 結語

文章針對環衛車輛的監管，設計的智能環衛系統，包括GPS接收機、稱重傳感器、稱重控制單元、RFID射頻讀卡器、車載顯示儀表、GPRS無線傳輸模塊和GIS信息平臺等，實現對環衛車輛的可視化監控，稱重數據的實時上傳，動態圖層顯示作業過程，最終生成數據報表。經過上海市靜安區實際使用，已夠達到預期的效果。對于目前我國環衛管理的狀況來說，該系統具有很大的實用性和推廣價值。

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