0 引言

    隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的飛速發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)蒸蒸日上，但與此同時環(huán)境問題卻日益嚴(yán)峻。有關(guān)資料顯示，我國33個城市出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣，對人們的身體健康和出行安全造成了嚴(yán)重威脅^[1]。然而當(dāng)前應(yīng)用的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)^[2]大都存在的監(jiān)測范圍局限、精度低、實時性差等問題，空氣質(zhì)量的監(jiān)測治理已經(jīng)到了間不容發(fā)的地步，空氣質(zhì)量問題亟待解決。

    與目前傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測模式^[3]相比，本文通過車載GPS終端化靜為動，利用城市公交數(shù)量龐大、覆蓋范圍廣的特點，連線成面，將可監(jiān)測區(qū)域范圍盡可能地精確至街道、小區(qū)。同時在車輛流動性的影響下，不同車輛監(jiān)測同一個地區(qū)的空氣環(huán)境，可以消除偶然因素的影響，從而更加高效率地更新空氣環(huán)境狀況。

    隨著GPS定位技術(shù)、無線通信技術(shù)、微處理器技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，以及片上系統(tǒng)的出現(xiàn)，為解決車載空氣質(zhì)量的監(jiān)測問題提供了單芯片解決方案。本文結(jié)合傳感器技術(shù)、通用分組無線技術(shù)(General Packet Radio Service，GPRS)、GPS定位技術(shù)^[4-5]、軟件設(shè)計技術(shù)以及ArcGIS Engine開發(fā)技術(shù)，設(shè)計了能夠?qū)崟r獲取車載環(huán)境感知節(jié)點的各參數(shù)信息，并轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，然后通過監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、監(jiān)測及空氣質(zhì)量分布云圖繪制的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    系統(tǒng)主要由車載環(huán)境感知節(jié)點、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、監(jiān)測終端和移動客戶端構(gòu)成，圖1所示為系統(tǒng)的整體架構(gòu)。環(huán)境感知節(jié)點采集實時的PM2.5、PM10、SO2濃度、溫度、濕度等空氣質(zhì)量信息及GPS定位信息，同時對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、去噪等預(yù)處理，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以UDP協(xié)議傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。服務(wù)器端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲，并提供手持客戶終端訪問的接口。監(jiān)控終端軟件通過訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)源，利用ArcGIS Engine實現(xiàn)節(jié)點定位、實時監(jiān)控、歷史查詢及繪制空氣質(zhì)量時空分布云圖等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    車載環(huán)境感知節(jié)點終端由電源驅(qū)動電路、主處理器模塊、SIM5320（GPS定位與GPRS通信二合一）模塊、各前端傳感器、傳感器驅(qū)動模塊、LCD模塊等構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。感知節(jié)點采用STM32F103作為主處理芯片，控制定時接收傳感器采集的信號，通過調(diào)理電路和傳感器驅(qū)動模塊獲取到可使用的數(shù)字信號并同時獲取GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，STM32通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器。感知節(jié)點同時可以響應(yīng)按鍵事件，并將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)實時地在本地顯示。

2.1 PM2.5傳感器模塊

    系統(tǒng)采用的G3攀藤粉塵傳感器使用微型低功率風(fēng)扇代替氣泵產(chǎn)生所需的粒子流通過感應(yīng)區(qū)，避免了需要定期更換常規(guī)氣泵保護(hù)過濾器。具有測試精度高（可細(xì)分16通道測試）、性能穩(wěn)定、響應(yīng)時間快、便于攜帶、操作方便等特點，為車載感知節(jié)點對粉塵含量的監(jiān)測提供了有力保障。

2.2 二氧化硫氣體傳感器模塊

    在二氧化碳濃度測量方面，系統(tǒng)采用的是ME3-SO2傳感器模塊。該模塊在電解槽中使用二氧化硫電化學(xué)氧化過程的工作電極電位，根據(jù)法拉第定理，其反應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流正比于二氧化硫的濃度。通過測量其電流大小，從而確定環(huán)境中二氧化硫氣體的濃度。

2.3 溫濕度傳感器

    系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器獲取環(huán)境的溫度及濕度。它由一個感濕元件和一個NTC測溫元件構(gòu)成，是含有一個校準(zhǔn)輸出的溫濕度復(fù)合數(shù)字信號傳感器。其體積小、性能高、成本小、功耗低，環(huán)境適應(yīng)性廣泛，信號的傳輸距離可達(dá)20 m，極大地保障了感知節(jié)點對環(huán)境溫濕度采集的可靠性和穩(wěn)定性。

2.4 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計

    與以往GPS模塊和GPRS模塊分開的定位系統(tǒng)相比，系統(tǒng)采用SIM公司推出的3G/HSDPA模塊SIM5320^[6]。SIM5320內(nèi)嵌GPS和A-GPS，提高了系統(tǒng)的可靠性。該模塊為SMT封裝，尺寸小、厚度薄，從而縮小了PCB設(shè)計的尺寸。STM32F103單片機(jī)通過串口通信與SIM5320模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令控制GSM模塊實現(xiàn)各種無線通信功能。圖3為無線定位及通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 感知節(jié)點軟件設(shè)計

    為充分提高系統(tǒng)的運行效率，節(jié)點選用適用于嵌入式系統(tǒng)的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ作為底層的操作系統(tǒng)。環(huán)境感知節(jié)點在μC/OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上實現(xiàn)應(yīng)用程序的開發(fā)，完成空氣質(zhì)量信息的采集與發(fā)送，并通過μC/GUI實現(xiàn)LCD的本地顯示功能。系統(tǒng)首先完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時器等硬件模塊的初始化；接下來進(jìn)行μC/OS-Ⅱ協(xié)議棧的配置，執(zhí)行處理器件和外設(shè)硬件的初始化；然后開啟采集GPS定位數(shù)據(jù)和各環(huán)境空氣質(zhì)量參數(shù)并向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)。具體工作流程如圖4所示。感知節(jié)點監(jiān)測環(huán)境參數(shù)采用定時喚醒的工作模式，一般處于休眠狀態(tài)，由定時器觸發(fā)采集事件，從而降低感知節(jié)點的功耗。

3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件設(shè)計

    數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取感知節(jié)點采集的環(huán)境數(shù)據(jù)及位置信息，對其進(jìn)行分析、存儲等處理，并通過Web Service的形式提供PC監(jiān)控端訪問的接口。

    Web服務(wù)^[7]是一種邏輯性地為其他應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)與服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與服務(wù)組件。系統(tǒng)在服務(wù)器本地及遠(yuǎn)程PC監(jiān)控終端通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問Web服務(wù)，從而使得Web服務(wù)在內(nèi)部執(zhí)行得到應(yīng)用程序所需結(jié)果，完成與數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。Web服務(wù)具有良好的跨平臺性、跨網(wǎng)絡(luò)性、跨系統(tǒng)性和高度可集成性，為本系統(tǒng)的可擴(kuò)展和可集成提供有力保障。

    數(shù)據(jù)采集服務(wù)采用通用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/UDP與感知節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對多通道的數(shù)據(jù)采集按需要通過數(shù)據(jù)集成與處理服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，各服務(wù)間以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)服務(wù)中心將感知節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚并通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲。數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)集成與處理各部分功能采用Web Service技術(shù)，構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集與服務(wù)平臺，提供移動終端訪問的接口。

3.3 監(jiān)控終端軟件設(shè)計

    監(jiān)控終端云圖平臺軟件在.NET平臺基礎(chǔ)上利用ArcGIS Engine進(jìn)行二次開發(fā)，ArcGIS Engine是美國ESRI公司的一套軟件開發(fā)引擎，是為開發(fā)嵌入式地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)和桌面端地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序而推出的二次開發(fā)組件庫^[8]。監(jiān)控終端軟件通過Ado.NET與服務(wù)器MS SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，從而獲取環(huán)境感知節(jié)點采集到的海量歷史數(shù)據(jù)，包括節(jié)點編號、經(jīng)緯度信息、時間、各環(huán)境質(zhì)量參數(shù)等信息。同時，監(jiān)控終端能夠獲取到節(jié)點的實時最新數(shù)據(jù)，以經(jīng)緯度作為坐標(biāo)顯示節(jié)點定位，實現(xiàn)對車輛位置及對空氣環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控。

    監(jiān)控終端軟件在ArcGIS Engine接口下實現(xiàn)對區(qū)域地圖的加載，地理位置的標(biāo)識，高程值的標(biāo)識以及用克里金空間插值算法進(jìn)行等高線的繪制等功能。克里金空間插值算法，又稱空間局部插值法，利用感知節(jié)點所采集的相關(guān)地理范圍內(nèi)的采樣點進(jìn)行估計待插點，相比于其他插值算法估算誤差的方差最小，從而實現(xiàn)對感知節(jié)點未采樣點的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行線性、無偏、最優(yōu)化的估計。

4 系統(tǒng)效果

    基于車載GPS終端的城市空氣質(zhì)量云圖平臺系統(tǒng)研發(fā)完成后于2015年8月在徐州市云龍區(qū)進(jìn)行測試運行。圖5所示為車載GPS感知節(jié)點，節(jié)點搭載在車輛頂部并由車內(nèi)供電。通過對其傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)控和記錄，感知節(jié)點在采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和定位信息方面準(zhǔn)確度良好，UDP收包率較高，符合實際應(yīng)用的需求。PC監(jiān)控終端軟件實時顯示、數(shù)據(jù)處理、云圖繪制性能良好。圖6所示為PC監(jiān)測終端軟件徐州云龍區(qū)各空氣質(zhì)量指標(biāo)的云圖效果。整個系統(tǒng)運行能夠滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)可靠性高，可以實現(xiàn)對空氣質(zhì)量的實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計并研發(fā)了一套基于車載GPS終端的城市空氣質(zhì)量云圖平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)了對城市空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測。利用車載環(huán)境感知終端的監(jiān)測方式化靜為動，連線成面，將可監(jiān)測區(qū)域范圍盡可能地精確至街道、小區(qū)，從而更加高效率地更新空氣環(huán)境狀況；利用廣泛應(yīng)用、覆蓋范圍廣的3G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)得以有效、穩(wěn)定的傳輸；節(jié)點采用周期性喚醒的監(jiān)測運行機(jī)制，降低了節(jié)點的功耗；利用GPS、GPRS二合一的無線模塊，提高了系統(tǒng)的統(tǒng)一性并極大地縮小了感知節(jié)點的尺寸。下一步將研究如何利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將海量的城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，發(fā)現(xiàn)城市區(qū)域與空氣質(zhì)量之間的潛在關(guān)系，進(jìn)而定位污染源，推送給用戶或城市衛(wèi)生管理人員，從而為城市空氣質(zhì)量的治理提供有效的方法。

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