新型現代有軌電車內PM 2.5濃度實時監測系統設計*

王 迪, 陳光武

(1.蘭州交通大學 自動控制研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

新型現代有軌電車內PM 2.5濃度實時監測系統設計*

王 迪1,2, 陳光武1,2

(1.蘭州交通大學 自動控制研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

設計了一種新型的基于GPRS的現代有軌電車內PM 2.5濃度實時監測系統。系統包括車載硬件終端和中心平臺，車載硬件終端實現對電車內PM 2.5濃度數據采集；中心平臺以TCP協議的Socket通信為基礎，采用Visual Basic軟件設計，能實時顯示和記錄車內PM 2.5濃度的動態曲線以及歷史數據。車載硬件終端與中心平臺間采用GPRS網絡模塊SIM900A通信。該系統通過與車內空氣凈化器組合使用，可提高車內空氣質量。

有軌電車； PM 2.5濃度監測； 通用分組無線業務； 空氣凈化

0 引 言

隨著社會的發展以及工業技術的提高，空氣質量也越來越受到人們的重視。現代有軌電車作為一種新型的城市軌道交通運輸工具，由于車廂的封閉性和人員密集性特點，車廂內的空氣質量也影響著人們的身體健康。其中空氣中PM 2.5顆粒的含量又是影響人們健康的重要因素之一。PM 2.5是指大氣中直徑小于等于2.5 μm的顆粒物，其中富含大量有毒、有害物質[1]。如果人體吸入PM 2.5(由于直徑太小且表面積大，易于吸附有毒有害的物質),將直接進入肺部，引起呼吸道方面的疾病,因此對人體健康有著很大影響。傳統的PM 2.5濃度測量設備笨重且精度差，特別是移動性能受到限制，數據只能現場查看，這給監測帶來了很大的困難[2]。

為克服以上問題以及考慮到監測的實時性和經濟性，本系統車載終端采用輕巧且精度高的光學粉塵傳感器采集數據，STM32微控制器進行數據算法分析。以GPRS無線網絡作為通信方式。實現了對現代有軌電車內空氣PM 2.5濃度的實時監測，當PM 2.5濃度達到一定數值時，系統便啟動車內的空氣凈化器，從而保證了車廂內的空氣質量，有利于出行居民身體健康。

1 系統總體設計

本系統主要由車載硬件終端和中心平臺兩大部分組成。車載硬件終端部分主要包括微控制器、液晶顯示模塊、光學粉塵傳感器GP2Y1010AU、GPRS網絡模塊[3]SIM900A、傳感器驅動電路、電源模塊、空氣凈化器接口等硬件電路；考慮到測量數據的實時性，硬件終端軟件系統采用UCOS—II實時操作系統，硬件終端主芯片采用STM32F103RBT6。數據通過GPRS網絡傳送至云服務端，中心平臺通過TCP/IP協議訪問云服務端數據。接收到的數據通過Access數據庫進行存儲，并以坐標曲線的形式實時顯示。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

2 系統硬件設計

本系統車載硬件終端部分主要包括傳感器電路、微控制器電路、GPRS網絡通信電路和空氣凈化器接口電路。其中光學粉塵傳感器GP2Y1010AU通過驅動電路間接和微控制器進行雙向通信；GPRS網絡模塊SIM900A通過串口通信與微控制器進行數據雙向傳輸；微控制器通過AT指令來控制GPRS網絡模塊的初始化、數據發送、數據接收等；微處理器外設空氣凈化器接口，通過空氣凈化器接口，微處理器可以實現對空氣凈化器的啟停控制功能。當PM2.5濃度超過限定值時，微處理器便會通過空氣凈化器接口間接地啟動空氣凈化器，以達到對車廂內空氣凈化的效果。

2.1 終端傳感設計

本系統終端傳感器部分采用光學粉塵傳感器GP2Y1010AU。GP2Y1010AU是光學空氣質量傳感器，設計用來感應空氣中的塵埃粒子，能夠探測到空氣中塵埃的反射光，即使非常細小的，如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到，適合在空氣凈化系統中應用[4]。微控制器發出脈沖周期T=10 ms，脈沖寬度PW=0.32 ms的方波信號給傳感器；傳感器的輸出端和微控制器的A/D采樣I/O口連接，A/D取樣時間0.2 ms。整個系統的工作電壓為3.3 V，而系統采用5 V電源供電，所以,需將傳感器在5 V情況下的輸出曲線轉換為3.3 V情況下的輸出曲線來糾正PM 2.5濃度數據。其中，圖2為在5 V和3.3 V情況下傳感器的輸出電壓隨PM 2.5濃度的變化。當供電為5 V時(D為PM 2.5濃度，V為輸出電壓值)

(1)

轉換成3.3V電壓后

(2)

圖3為5V轉換成3.3V的電源電路及傳感器驅動電路。采用電壓轉換芯片LT1117—3.3進行電壓轉換，輸出電壓為3.3V，該電壓又經過2個0.1μF電容器進行平滑濾波處理。PA7為STM32的PWM脈沖調制輸出引腳，通過一個三極管與傳感器脈沖輸入引腳連接，目的是增強其驅動能力。其中PA0為微控制器的10位A/D轉換輸入口，用來處理傳感器輸出的模擬信號。

圖3 電源及驅動電路

2.2 GPRS通信設計

車載終端采用GPRS無線網絡方式與云服務器進行通信。GPRS是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務，GPRS僅按照數據流量計費，體現了少用少付費的原則[5]。根據本系統實現的功能在選擇GSM通信模塊時要考慮到是否具有GPRS通信功能和是否滿足通信要求。SIM900A是一個雙頻的GSM/GPRS模塊，內嵌TCP/IP協議，擴展的AT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協議，方便用GPRS數據傳輸[6]。通過AT指令來控制SIM900A實現其模塊的初始化，如果模塊沒有回復“OK”，初始化程序將不再發送AT指令[7]。GPRS通信初始化AT指令如表1所示。圖4為通過串口調試助手對SIM900A的測試。

表1 GPRS通信AT指令

圖4 AT指令測試

3 系統軟件設計

軟件部分主要是車載終端主程序、信息采集處理和中心平臺3大部分，其中車載終端主程序主要是基于UCOS—Ⅱ實時操作系統多任務運行設計；信息采集處理包括對PM 2.5濃度原始數據轉換擬合的算法處理和對GPRS的通信設置；中心平臺通過基于TCP協議的Socket通信實時接收和顯示車內PM2.5濃度的狀態曲線。

3.1 車載終端主程序設計

終端軟件系統采用UCOS—Ⅱ實時操作系統。UCOS—Ⅱ是專門為嵌入式系統設計的一種實時操作系統，其內核精簡，多任務管理功能相對完善，實時性能好，可裁剪，可移植性強。主程序開始需要設置任務堆棧與優先級，初始化部分實現對UCOS—Ⅱ的初始化以及任務的創建，可通過任務創建函數OSTaskCreate()來實現。考慮到本系統的實際運行狀況共創建5個任務分別為：初始化任務、傳感器采集信息處理、GPRS通信收發處理、液晶顯示處理、空氣凈化器控制處理。其中主函數關鍵代碼如下：

OSInit(); /*UCOSII操作系統初始化*/

OSTaskCreate(); /*創建任務*/

OSStart(); /*啟動UCOSII操作系統*/

3.2 數據處理

系統采用中值濾波算法優化數據，優點是能有效克服因偶然因素引起的波動干擾；對PM 2.5濃度變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果。該算法首先采集A/D的N組數據(N為奇數)，然后采用冒泡排序法對N組數據進行由大到小排序，最后取得第(N-1)/2數據即為所得數據。通過對45組數據的采集用Matlab繪制成曲線得出采用中值濾波算法前后的數據變化曲線如圖5。經過處理后的數據更加穩定,抗干擾性更強。

圖5 一定時間內同一位置PM 2.5濃度分布數據

3.3 中心平臺設計

考慮到VB語言的簡單方便，具有網絡編程接口控件功能。因此，遠程監控中心平臺軟件使用VB中基于Windows Sockets網絡編程接口的Winsock控件來實現建立連接。通過云服務端作網絡接收和發送經TCP協議封裝的IP數據包，與GPRS網絡模塊進行數據雙向交互[8]。主要分為以下步驟：獲取云服務器IP以及服務器端口；建立遠程通信連接；獲取云服務端發送的數據；數據曲線顯示及存儲；關閉Socket 連接。圖6為中心平臺框圖。

圖6 中心平臺框圖

4 系統測試

系統車載設備安裝在有軌電車內。PM 2.5傳感器通過對車廂內空氣采集，將原始數據送給微處理器，通過中值濾波算法對數據進行擬合和濾波。此時,GPRS完成初始化，通過串口通信協議將數據發送給GPRS。GPRS天線接收信號，通過云服務器作為中轉平臺，將數據發送到控制中心的客戶端。圖7為中心客戶端的運行界面。通過軟件右邊的網絡坐標實時繪制出PM 2.5濃度的變化曲線。該平臺能監測記錄多輛現代有軌電車內的PM 2.5濃度變化，以及數據存儲顯示。經測試,該系統可以穩定的運行，能實時反映出車內空氣質量的變化情況。

圖7 中心客戶端運行界面

5 結 論

本文設計有效地解決了現代有軌電車內PM 2.5濃度監測困難的問題，通過自動啟停車載空氣凈化器，保證了現代有軌電車內空氣質量。經過實際測試表明:系統工作穩定可靠，而且具有良好的精度、為人們的出行提供了健康保障。

[1] 李斌蓮,管 峰,蔣建華.淺析中國 PM 2.5現狀及防控措施[J].能源與節能,2012(6):54-54.

[2] 蘭冰芯.移動式環境空氣質量檢測儀的設計與實現[D].成都：西南石油大學,2015.

[3] 薛 亮，馮鵬飛，張繼飛.基于WSNs和GPRS的糧庫監測系統設計[J].自動化技術與應用，2016,35(12)：87-90.

[4] 孫 濱，姜傳林，陳元勇.基于光學粉塵傳感器的車載空氣凈化裝置設計[J].電子技術，2013(6)：77-79.

[5] 任崢崢，葉 樺，孫曉潔.智能車載終端的GPRS多路連接通信的研究[J].測控技術，2013(1)：33-36.

[6] 王金全,王小鵬,于 揮.基于STM32的高精度扭矩測量系統設計[J].傳感器與微系統,2015,34(4): 99-101.

[7] 程 磊,張 東,劉 波,等.基于無線傳感器網絡的氣體泄漏源定位機器人設計[J].傳感器與微系統,2015,34(2):85-87.

[8] 吳 祿,吳康雄.基于GPRS和VB的邊坡安全遠程監控系統設計[J].輕工科技,2014(4):56-57.

Design of novel real-time PM 2.5 concentration monitoring system for modern trolley bus*

(1.Automatic Control Institute，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China;2.Gansu Provincial Key Laboratory of Traffic Information Engineering and Control，Lanzhou 730070，China)

A novel GPRS-based modern tram car PM 2.5 concentration real time monitoring system is designed.Vehicle monitoring system includes a hardware terminal and a central platform,on board hardware terminal is used to achieve tram car PM 2.5 data collection;center platform on the basis of Socket communication of TCP protocol,using Visual Basic software design,can real-time display and record PM 2.5 dynamic curves and historical data in car.On board hardware terminal communicates with center platform using GPRS networks module SIM900A.The system are used in combination with car air purifier,that can improve air quality inside trolley bus.

trolley bus; PM 2.5 concentration monitoring; GPRS; air purification

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0087—03

2016—04—19

甘肅省自然科學基金資助項目(1506RJZA079);蘭州交通大學青年基金資助項目(2015035)

TP 873

A

1000—9787(2017)04—0087—03

WANG Di1,2CHEN Guang-wu1,2

王 迪(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為控制理論與控制工程。