基于GPS浮動車法的城市PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)設計※

許晉河，蔡利芹，郭唐儀

(南京理工大學 自動化學院，南京210094)

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基于GPS浮動車法的城市PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)設計※

許晉河，蔡利芹，郭唐儀

(南京理工大學 自動化學院，南京210094)

摘要:為了解決現(xiàn)有PM2.5監(jiān)測站成本高、監(jiān)測數(shù)據(jù)更新時間長、在具體位置處監(jiān)測值不夠精確等問題，設計了一種基于GPS浮動車法的城市PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括車載PM2.5檢測設備和監(jiān)控中心兩部分，車載檢測設備的主控芯片為LPC2366。通過將車載PM2.5檢測設備裝載到城市移動車輛上，收集整個城市的PM2.5數(shù)據(jù)，生成城市PM2.5的分布圖與點聚圖，并通過網(wǎng)頁的形式進行發(fā)布。該系統(tǒng)大大降低了PM2.5監(jiān)測成本，增強了監(jiān)測實時性，提高了監(jiān)測的效率。

關鍵詞:GPS浮動車法;城市PM2.5監(jiān)測系統(tǒng);LPC2366;PM2.5；分布圖；點聚圖

引言

本文將浮動車法應用在城市PM2.5數(shù)據(jù)的采集，以光散射法為理論指導，提出了一種基于GPS浮動車法的城市PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)具有部署簡便、成本低、實時性強等優(yōu)點。

1系統(tǒng)總體設計

監(jiān)測系統(tǒng)包括車載檢測設備和監(jiān)控中心兩部分，系統(tǒng)示意圖略——編者注。在城市出租車或公交車上裝載車載檢測設備，就可以對經(jīng)過的地點進行PM2.5檢測，并將檢測結(jié)果和北斗衛(wèi)星定位信息通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心將數(shù)據(jù)進行處理后存儲。監(jiān)控中心根據(jù)城市居民的查詢需求，將數(shù)據(jù)通過PM2.5分布圖的形式直觀地呈現(xiàn)出來，便于居民查詢。

監(jiān)測系統(tǒng)的具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，車載檢測設備由PM2.5檢測模塊、北斗定位模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成；監(jiān)控中心由數(shù)據(jù)接收解析模塊、數(shù)據(jù)存取模塊、PM2.5顯示模塊組成。

圖1　基于GPS浮動車法的城市PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2車載檢測設備設計

車載檢測設備的測量精度和功耗是主要考慮的因素，因此選用LPC2366微控制器和高精度低功耗的檢測傳感器[3]。車載檢測設備硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　車載檢測設備硬件的總體結(jié)構(gòu)

2.1車載檢測設備硬件設計

檢測設備的硬件設計采用模塊化設計方法，根據(jù)系統(tǒng)的總體功能需求，進行系統(tǒng)硬件設計。

2.1.1電源模塊電路設計

電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性對于硬件電路設計至關重要。本系統(tǒng)外部輸入電源為直流12 V，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V、3.3 V兩種電壓，其中5 V為PM2.5檢測傳感器供電，其余的器件均由3.3 V供電。電壓轉(zhuǎn)換芯片根據(jù)PM2.5監(jiān)測儀及各芯片輸入電壓等參數(shù)進行選擇，保證電路正常穩(wěn)定工作。檢測設備選用LM2576HVS-5.0將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V，選用SPX3819M5-3.3將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。在外部沒有電源輸入時，電源模塊還可以通過鋰電池進行供電。

2.1.2主控單元電路設計

主控單元電路是整個檢測設備設計的關鍵點，它是所有模塊的信息和通信紐帶。主控單元控制芯片采用LPC2366，根據(jù)這個芯片設計最小系統(tǒng)，圖3為主控單元的硬件連接框圖。

圖3　主控單元的硬件連接框圖

最小系統(tǒng)由控制芯片LPC2366、12 MHz時鐘電路、復位電路、3.3 V電源和JTAG調(diào)試接口組成[4]?？紤]到控制器需要的時鐘精度較高，選擇12 MHz的外部晶振作為時鐘源。系統(tǒng)運行過程中會出現(xiàn)程序跑飛或電壓過低情況，致使系統(tǒng)無法正常工作，為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，設計了復位電路，使得系統(tǒng)發(fā)生異常情況時，可以通過硬件復位使檢測設備回到初始狀態(tài)。LPC2366使用的是JTAG調(diào)試接口，調(diào)試軟件可以通過JTAG對主控芯片進行實時在線調(diào)試。

2.1.3PM2.5檢測模塊電路設計

PM2.5檢測模塊的傳感器選擇夏普GP2Y1051AU0F，它是一款基于散射原理的粒子計數(shù)器[5]，可以直接得到PM2.5值。它的檢測輸出方式為電壓輸出。

傳感器輸出電壓為0~5 V，主控芯片UART2接收電壓范圍為0~3.3 V，因此在傳感器接口J2和主控芯片LPC2366之間設計一個帶跟隨器的分壓電路，其中運算放大器OPA2333作為跟隨器使用。為了減小測量誤差，檢測模塊還加入了DS18B20作為溫度補償，電路原理圖如圖4所示。

圖4　PM2.5檢測模塊電路原理圖

2.1.4北斗定位模塊電路設計

北斗定位模塊選擇和芯星通公司UM220-Ⅲ芯片，它是一款高性能北斗定位模塊，通過UART串口接收定位信息。北斗定位模塊電路原理圖略——編者注。

2.1.5GPRS通信模塊電路設計

遠程監(jiān)控中心通過GPRS收集安裝在浮動車上的PM2.5檢測設備的數(shù)據(jù)，并對設備數(shù)據(jù)采集的周期進行控制。本設備選用SIM900A模塊作為GPRS無線通信模塊，它是SIMCOM公司推出的小體積、低功耗、即插即用的GPRS無線通信模塊，提供通用的AT指令集[6]。GPRS通信模塊電路原理圖略——編者注。

2.2車載檢測設備軟件設計

車載檢測設備通過軟件設計實現(xiàn)完整功能，軟件設計的目標是：開啟后，進行各模塊的初始化。初始化完成后，檢測設備后臺進行PM2.5檢測數(shù)據(jù)的采集和處理，同時接收當前位置的北斗定位信息和時間。設備搜索并連接到無線網(wǎng)絡，檢測設備根據(jù)制定好的協(xié)議向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，以及接收服務器返回的控制信息。

2.2.1檢測設備主程序設計

系統(tǒng)上電后，首先是對目標板進行初始化，設置系統(tǒng)時鐘、工作頻率、中斷向量等控制寄存器的值。目標板初始化后，再對各個模塊進行初始化。初始化各模塊后，PM2.5檢測模塊后臺進行PM2.5檢測數(shù)據(jù)的采集和處理。之后，北斗定位模塊接收當前位置的定位信息以及當前的時間。然后，GPRS通信模塊與服務器連接后，檢測設備將PM2.5值、采樣點定位和時間信息通過GPRS無線網(wǎng)絡發(fā)送給服務器。發(fā)送完成后返回執(zhí)行PM2.5檢測模塊程序，進行下一次PM2.5檢測,主程序不斷循環(huán)。檢測設備主程序流程圖如圖5所示。

圖5　檢測設備主程序流程圖

2.2.2PM2.5檢測模塊程序設計

圖6　PM2.5檢測模塊　程序設計流程圖

PM2.5傳感器檢測PM2.5時，輸出的是電壓值。傳感器的文檔給出及輸出的電壓與PM2.5濃度關系。通過最小二乘法擬合曲線，借助MATLAB擬合后得到的曲線略——編者注。PM2.5濃度值并非我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫臄?shù)值，所以得到PM2.5濃度后，還需要換算成空氣質(zhì)量指數(shù)AQI。

微控制器通過串口接收傳感器傳回來的電壓值，將電壓值進行平滑濾波去除毛刺信號。將得到的電壓值通過公式轉(zhuǎn)換為PM2.5濃度值，再通過濃度轉(zhuǎn)換AQI得到AQI值。PM2.5檢測模塊程序設計流程如圖6所示。

2.2.3北斗定位模塊程序設計

微控制器通過串口接收北斗定位模塊發(fā)送過來的定位信息，定位信息需要根據(jù)特定的協(xié)議進行解析。UM220數(shù)據(jù)接口協(xié)議為Unicore，在Unicore協(xié)議中，輸入和輸出的語句被統(tǒng)稱為消息。每條消息均為全ASCII字符組成的字符串。消息的基本格式為：$MSGNAME,data1,data2,data3,…[*CC] 。

圖7　北斗定位模塊　程序流程圖

所有的消息都以'$'(0x24)開始，后面緊跟著的是消息名。根據(jù)數(shù)據(jù)接口定義將串口接收回來的定位信息進行解析得到經(jīng)緯度和當前時間點。北斗定位模塊程序流程圖如圖7所示。

2.2.4GPRS通信模塊程序設計

為了保證通信數(shù)據(jù)的準確性，提高檢測設備的可靠性，需要指定通信協(xié)議。由于沒有通用的協(xié)議，根據(jù)實際需求制定了檢測設備發(fā)送實時數(shù)據(jù)協(xié)議，協(xié)議包括幀頭、幀長、幀標識、設備號、PM2.5濃度值、經(jīng)緯度和幀尾。

檢測設備將PM2.5值、采樣點定位和時間信息通過GPRS無線網(wǎng)絡發(fā)送給服務器。延時等待服務器返回確認包，若在規(guī)定響應時間內(nèi)未收到應答，設備重發(fā)上述數(shù)據(jù)。當設備收到確認包或重發(fā)次數(shù)超過3次時，GPRS通信結(jié)束。GPRS通信模塊程序流程圖略——編者注。

3監(jiān)控中心軟件設計

監(jiān)測系統(tǒng)需要采集和存儲的數(shù)據(jù)量十分龐大，基于大數(shù)據(jù)進行的PM2.5分布圖顯示所需的計算量也十分巨大。因此，本系統(tǒng)選用云服務器和云數(shù)據(jù)庫，來完成云計算和云存儲過程。

3.1監(jiān)控中心運行環(huán)境部署

系統(tǒng)的監(jiān)控中心部署在阿里云服務器ECS上，阿里云服務器是一種簡單高效、處理能力可彈性收縮的計算服務，可以快速構(gòu)建穩(wěn)定、安全的應用，運行效率高，維護方便。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用阿里云數(shù)據(jù)庫RDS，阿里云數(shù)據(jù)庫采取主從雙機熱備架構(gòu)，具有多重安全防護措施和完善的性能監(jiān)控體系，并提供專業(yè)的數(shù)據(jù)庫備份、恢復及優(yōu)化方案。在云服務器中安裝的Web服務器為Apache服務器，云數(shù)據(jù)庫為MySQL數(shù)據(jù)庫。

3.2數(shù)據(jù)接收解析程序設計

數(shù)據(jù)接收解析程序運行后，等待檢測設備發(fā)送數(shù)據(jù)。當有數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心后，程序開始根據(jù)檢測設備發(fā)送協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析，得到PM2.5值、定位經(jīng)緯度以及檢測時間。接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)服務器應答協(xié)議給檢測設備發(fā)送應答幀。程序接收到的定位信息為北斗衛(wèi)星得到的經(jīng)緯度信息，并不是百度地圖上的經(jīng)緯度信息。因此，需要經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換后才能得到百度坐標系下的坐標。接收到的時間信息為字符型，需要轉(zhuǎn)換為時間類型的值才能存入數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過必要處理后便可以將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)接收解析程序流程圖略——編者注。

3.3數(shù)據(jù)庫存儲程序設計

首先，需要與阿里云數(shù)據(jù)庫建立連接，給出數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部地址、用戶名和密碼。連接建立不成功會出現(xiàn)提示，連接成功后，打開數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中找到對應數(shù)據(jù)表。將解析處理后的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)表中，根據(jù)分布圖顯示的需求對數(shù)據(jù)進行讀取操作，最后關閉數(shù)據(jù)庫。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫分離[7]，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用由一個RDS讀寫實例和一個RDS只讀實例構(gòu)成的主從式存儲結(jié)構(gòu)。讀寫實例只負責數(shù)據(jù)存儲，只讀實例只負責數(shù)據(jù)訪問，兩個實例通過內(nèi)部的同步保持數(shù)據(jù)的一致性。數(shù)據(jù)庫存取程序流程圖略——編者注。

3.4PM2.5顯示程序設計

PM2.5顯示包括分布圖顯示和點聚圖顯示。程序開始首先顯示百度地圖，用戶可以選擇是否顯示PM2.5分布圖，選擇“是”則顯示，否則不顯示。當顯示PM2.5分布圖后，用戶可以選擇關閉分布圖。用戶可以選擇是否顯示點聚圖，選擇“是”則顯示，否則不顯示。當顯示PM2.5點聚圖后，用戶可以選擇關閉點聚圖。根據(jù)用戶的選擇，程序讀取服務器數(shù)據(jù)并進行處理顯示或刷新頁面等操作。PM2.5顯示程序流程圖略——編者注。

分布圖上PM2.5值與顏色的對應關系為：

ColorRGB=PMArray×BaseRGB

其中，PM2.5ug/m3為數(shù)據(jù)集合中的PM2.5數(shù)值。

PM2.5顯示圖如圖8所示。圖中同時顯示了分布圖和點聚圖，數(shù)據(jù)為南京市國道G312的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中標有數(shù)值的點為聚合點。

結(jié)語

圖8　PM2.5顯示圖

基于浮動車法的城市居民出行路徑規(guī)劃系統(tǒng)具有較好的創(chuàng)新性和實用性。創(chuàng)新性體現(xiàn)在，將道路交通專業(yè)的浮動車調(diào)查法創(chuàng)新性地用在PM2.5值的檢測中，這樣可以降低檢測PM2.5的成本，同時可以實現(xiàn)整個城市各個點的實時準確監(jiān)測。實用性則體現(xiàn)在將大數(shù)據(jù)、云存儲和云計算運用到城市環(huán)境監(jiān)控和居民健康出行中，使我們的城市更加智慧和宜居。

參考文獻

[1] 楊洪斌,鄒旭東,汪宏宇,等.大氣環(huán)境中PM2.5的研究進展與展望[J]. 氣象與環(huán)境學報,2012,28(3):77-82.

[2] 傅敏寧,鄭有飛,徐星生,等.PM2.5監(jiān)測及評價研究進展[J]. 氣象與減災研究,2011,34(4):1-6.

[3] 賴于樹.ARM微處理器與應用開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[4] 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.LPC23XX器件用戶手冊(Rev.01),2008.

[5] 朱軍,向騰輝,張小美,等.基于ZigBee技術的大氣PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].測控技術,2013,32(11):10-13.

[6] 王鐵流,馮正乾,周尚,等.基于SIM900的無線遠程海洋監(jiān)測終端機的設計[J].電子測量技術,2012(12):108-111.

[7] 于慧娟.SQLServer的分布式部署方案探討[J].黑龍江科技信息,2012(23):43-43.

許晉河(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)與自動檢測技術應用。

ST微控制器和功率半導體獲豐田汽車采用

意法半導體(STMicroelectronics)宣布其32位微控制器和功率MOSFET獲豐田汽車(Toyota)采用，用于開發(fā)新一代普稅斯的DC-DC轉(zhuǎn)換器。新一代普稅斯是第四代混合動力汽車。

DC-DC轉(zhuǎn)換器是被稱作混合動力汽車(hybrid electric vehicle)心臟的動力控制單元的基本組件，還被用于逆變器和可變電壓系統(tǒng)(variable-voltage system)。新一代普稅斯的DC-DC轉(zhuǎn)換器設計采用意法半導體的32位車用微控制器，用于控制電瓶或發(fā)電機輸出的汽車14 V子系統(tǒng)所使用的電壓降低(voltage reduction)問題，例如汽車收音機、照明及雨刷系統(tǒng)。DC-DC轉(zhuǎn)換器還用到了意法半導體的兩款功率MOSFET。意法半導體的芯片與汽車廠商的軟件系統(tǒng)配合，實現(xiàn)高能效的電壓轉(zhuǎn)換和低散熱特性，進而幫助動力控制單元微型化。

Urban PM2.5 Monitoring System Based on GPS Floating Car Method※

Xu Jinhe,Cai Liqin,Guo Tangyi

(School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract：In order to solve the problem of high cost,long update time of the monitoring data,and inaccurate value in some specific location of the PM2.5 monitoring station,the urban PM2.5 monitoring system based on GPS floating car method is designed.The system includes the vehicle detection equipment for PM2.5 and the monitoring center.The main control chip of the vehicle detection equipment is LPC2366.The urban PM2.5 data is collected by the PM2.5 testing equipment installed in the moving vehicles,then the data is converted into the PM2.5 distributed map and clustered map,and the maps are released on the web.The system greatly reduces the cost of PM2.5 monitoring,enhances the real-time of monitoring,and improves the efficiency.

Key words:GPS floating car method;urban PM2.5 monitoring system;LPC2366;PM2.5；distributed map；clustered map

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-09-11)

中圖分類號:TP27

文獻標識碼:A