基于GPS浮動(dòng)車法的城市PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)※

許晉河，蔡利芹，郭唐儀

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京210094)

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基于GPS浮動(dòng)車法的城市PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)※

許晉河，蔡利芹，郭唐儀

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京210094)

摘要:為了解決現(xiàn)有PM2.5監(jiān)測(cè)站成本高、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新時(shí)間長(zhǎng)、在具體位置處監(jiān)測(cè)值不夠精確等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于GPS浮動(dòng)車法的城市PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括車載PM2.5檢測(cè)設(shè)備和監(jiān)控中心兩部分，車載檢測(cè)設(shè)備的主控芯片為L(zhǎng)PC2366。通過(guò)將車載PM2.5檢測(cè)設(shè)備裝載到城市移動(dòng)車輛上，收集整個(gè)城市的PM2.5數(shù)據(jù)，生成城市PM2.5的分布圖與點(diǎn)聚圖，并通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式進(jìn)行發(fā)布。該系統(tǒng)大大降低了PM2.5監(jiān)測(cè)成本，增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性，提高了監(jiān)測(cè)的效率。

關(guān)鍵詞:GPS浮動(dòng)車法;城市PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng);LPC2366;PM2.5；分布圖；點(diǎn)聚圖

引言

本文將浮動(dòng)車法應(yīng)用在城市PM2.5數(shù)據(jù)的采集，以光散射法為理論指導(dǎo)，提出了一種基于GPS浮動(dòng)車法的城市PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有部署簡(jiǎn)便、成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括車載檢測(cè)設(shè)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(cè)設(shè)備，就可以對(duì)經(jīng)過(guò)的地點(diǎn)進(jìn)行PM2.5檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果和北斗衛(wèi)星定位信息通過(guò)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(jìn)行處理后存儲(chǔ)。監(jiān)控中心根據(jù)城市居民的查詢需求，將數(shù)據(jù)通過(guò)PM2.5分布圖的形式直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，便于居民查詢。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，車載檢測(cè)設(shè)備由PM2.5檢測(cè)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(dòng)車法的城市PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2車載檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

車載檢測(cè)設(shè)備的測(cè)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(cè)傳感器[3]。車載檢測(cè)設(shè)備硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　車載檢測(cè)設(shè)備硬件的總體結(jié)構(gòu)

2.1車載檢測(cè)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)系統(tǒng)的總體功能需求，進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2.1.1電源模塊電路設(shè)計(jì)

電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)于硬件電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本系統(tǒng)外部輸入電源為直流12 V，經(jīng)過(guò)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(cè)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(cè)儀及各芯片輸入電壓等參數(shù)進(jìn)行選擇，保證電路正常穩(wěn)定工作。檢測(cè)設(shè)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(méi)有電源輸入時(shí)，電源模塊還可以通過(guò)鋰電池進(jìn)行供電。

2.1.2主控單元電路設(shè)計(jì)

主控單元電路是整個(gè)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，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(gè)芯片設(shè)計(jì)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(shí)鐘電路、復(fù)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(shí)鐘精度較高，選擇12 MHz的外部晶振作為時(shí)鐘源。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)程序跑飛或電壓過(guò)低情況，致使系統(tǒng)無(wú)法正常工作，為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了復(fù)位電路，使得系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)，可以通過(guò)硬件復(fù)位使檢測(cè)設(shè)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(guò)JTAG對(duì)主控芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)試。

2.1.3PM2.5檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

PM2.5檢測(cè)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(jì)數(shù)器[5]，可以直接得到PM2.5值。它的檢測(cè)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(shè)計(jì)一個(gè)帶跟隨器的分壓電路，其中運(yùn)算放大器OPA2333作為跟隨器使用。為了減小測(cè)量誤差，檢測(cè)模塊還加入了DS18B20作為溫度補(bǔ)償，電路原理圖如圖4所示。

圖4　PM2.5檢測(cè)模塊電路原理圖

2.1.4北斗定位模塊電路設(shè)計(jì)

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(guò)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(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)GPRS收集安裝在浮動(dòng)車上的PM2.5檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的周期進(jìn)行控制。本設(shè)備選用SIM900A模塊作為GPRS無(wú)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(wú)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(cè)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

車載檢測(cè)設(shè)備通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完整功能，軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：開(kāi)啟后，進(jìn)行各模塊的初始化。初始化完成后，檢測(cè)設(shè)備后臺(tái)進(jìn)行PM2.5檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集和處理，同時(shí)接收當(dāng)前位置的北斗定位信息和時(shí)間。設(shè)備搜索并連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)設(shè)備根據(jù)制定好的協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，以及接收服務(wù)器返回的控制信息。

2.2.1檢測(cè)設(shè)備主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先是對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行初始化，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、工作頻率、中斷向量等控制寄存器的值。目標(biāo)板初始化后，再對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。初始化各模塊后，PM2.5檢測(cè)模塊后臺(tái)進(jìn)行PM2.5檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集和處理。之后，北斗定位模塊接收當(dāng)前位置的定位信息以及當(dāng)前的時(shí)間。然后，GPRS通信模塊與服務(wù)器連接后，檢測(cè)設(shè)備將PM2.5值、采樣點(diǎn)定位和時(shí)間信息通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器。發(fā)送完成后返回執(zhí)行PM2.5檢測(cè)模塊程序，進(jìn)行下一次PM2.5檢測(cè),主程序不斷循環(huán)。檢測(cè)設(shè)備主程序流程圖如圖5所示。

圖5　檢測(cè)設(shè)備主程序流程圖

2.2.2PM2.5檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)

圖6　PM2.5檢測(cè)模塊　程序設(shè)計(jì)流程圖

PM2.5傳感器檢測(cè)PM2.5時(shí)，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(guān)系。通過(guò)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(guò)串口接收傳感器傳回來(lái)的電壓值，將電壓值進(jìn)行平滑濾波去除毛刺信號(hào)。將得到的電壓值通過(guò)公式轉(zhuǎn)換為PM2.5濃度值，再通過(guò)濃度轉(zhuǎn)換AQI得到AQI值。PM2.5檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

2.2.3北斗定位模塊程序設(shè)計(jì)

微控制器通過(guò)串口接收北斗定位模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的定位信息，定位信息需要根據(jù)特定的協(xié)議進(jìn)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(yǔ)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(kāi)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(lái)的定位信息進(jìn)行解析得到經(jīng)緯度和當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)。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(shè)計(jì)

為了保證通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高檢測(cè)設(shè)備的可靠性，需要指定通信協(xié)議。由于沒(méi)有通用的協(xié)議，根據(jù)實(shí)際需求制定了檢測(cè)設(shè)備發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議，協(xié)議包括幀頭、幀長(zhǎng)、幀標(biāo)識(shí)、設(shè)備號(hào)、PM2.5濃度值、經(jīng)緯度和幀尾。

檢測(cè)設(shè)備將PM2.5值、采樣點(diǎn)定位和時(shí)間信息通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器。延時(shí)等待服務(wù)器返回確認(rèn)包，若在規(guī)定響應(yīng)時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)答，設(shè)備重發(fā)上述數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)備收到確認(rèn)包或重發(fā)次數(shù)超過(guò)3次時(shí)，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(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采集和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量十分龐大，基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行的PM2.5分布圖顯示所需的計(jì)算量也十分巨大。因此，本系統(tǒng)選用云服務(wù)器和云數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)完成云計(jì)算和云存儲(chǔ)過(guò)程。

3.1監(jiān)控中心運(yùn)行環(huán)境部署

系統(tǒng)的監(jiān)控中心部署在阿里云服務(wù)器ECS上，阿里云服務(wù)器是一種簡(jiǎn)單高效、處理能力可彈性收縮的計(jì)算服務(wù)，可以快速構(gòu)建穩(wěn)定、安全的應(yīng)用，運(yùn)行效率高，維護(hù)方便。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)使用阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)RDS，阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)采取主從雙機(jī)熱備架構(gòu)，具有多重安全防護(hù)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(kù)備份、恢復(fù)及優(yōu)化方案。在云服務(wù)器中安裝的Web服務(wù)器為Apache服務(wù)器，云數(shù)據(jù)庫(kù)為MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2數(shù)據(jù)接收解析程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收解析程序運(yùn)行后，等待檢測(cè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心后，程序開(kāi)始根據(jù)檢測(cè)設(shè)備發(fā)送協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，得到PM2.5值、定位經(jīng)緯度以及檢測(cè)時(shí)間。接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)服務(wù)器應(yīng)答協(xié)議給檢測(cè)設(shè)備發(fā)送應(yīng)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(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后才能得到百度坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。接收到的時(shí)間信息為字符型，需要轉(zhuǎn)換為時(shí)間類型的值才能存入數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)過(guò)必要處理后便可以將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

首先，需要與阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，給出數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)部地址、用戶名和密碼。連接建立不成功會(huì)出現(xiàn)提示，連接成功后，打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到對(duì)應(yīng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，最后關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫分離[7]，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用由一個(gè)RDS讀寫實(shí)例和一個(gè)RDS只讀實(shí)例構(gòu)成的主從式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。讀寫實(shí)例只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，只讀實(shí)例只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)訪問(wèn)，兩個(gè)實(shí)例通過(guò)內(nèi)部的同步保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。數(shù)據(jù)庫(kù)存取程序流程圖略——編者注。

3.4PM2.5顯示程序設(shè)計(jì)

PM2.5顯示包括分布圖顯示和點(diǎn)聚圖顯示。程序開(kāi)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(dāng)顯示PM2.5分布圖后，用戶可以選擇關(guān)閉分布圖。用戶可以選擇是否顯示點(diǎn)聚圖，選擇“是”則顯示，否則不顯示。當(dāng)顯示PM2.5點(diǎn)聚圖后，用戶可以選擇關(guān)閉點(diǎn)聚圖。根據(jù)用戶的選擇，程序讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理顯示或刷新頁(yè)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(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)顯示了分布圖和點(diǎn)聚圖，數(shù)據(jù)為南京市國(guó)道G312的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中標(biāo)有數(shù)值的點(diǎn)為聚合點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

圖8　PM2.5顯示圖

基于浮動(dòng)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(shí)用性。創(chuàng)新性體現(xiàn)在，將道路交通專業(yè)的浮動(dòng)車調(diào)查法創(chuàng)新性地用在PM2.5值的檢測(cè)中，這樣可以降低檢測(cè)PM2.5的成本，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市各個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。實(shí)用性則體現(xiàn)在將大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)和云計(jì)算運(yùn)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。

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許晉河(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用。

ST微控制器和功率半導(dǎo)體獲豐田汽車采用

意法半導(dǎo)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(kāi)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(dòng)力汽車。

DC-DC轉(zhuǎn)換器是被稱作混合動(dòng)力汽車(hybrid electric vehicle)心臟的動(dòng)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(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體的32位車用微控制器，用于控制電瓶或發(fā)電機(jī)輸出的汽車14 V子系統(tǒng)所使用的電壓降低(voltage reduction)問(wèn)題，例如汽車收音機(jī)、照明及雨刷系統(tǒng)。DC-DC轉(zhuǎn)換器還用到了意法半導(dǎo)體的兩款功率MOSFET。意法半導(dǎo)體的芯片與汽車廠商的軟件系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)高能效的電壓轉(zhuǎn)換和低散熱特性，進(jìn)而幫助動(dòng)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(zé)任編輯：楊迪娜2015-09-11)

中圖分類號(hào):TP27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A