基于車載GPS終端的城市環(huán)境健康監(jiān)測平臺設計*

毛亞青，胡展鵬，俞　嘯，吳　響

（徐州醫(yī)學院 醫(yī)學信息學院，江蘇 徐州 221000）

基于車載GPS終端的城市環(huán)境健康監(jiān)測平臺設計*

毛亞青，胡展鵬，俞嘯，吳響

（徐州醫(yī)學院 醫(yī)學信息學院，江蘇 徐州 221000）

針對當前應用的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)定點、定時監(jiān)測存在的范圍局限、實時性差等問題，設計并研發(fā)了基于車載GPS終端的城市環(huán)境健康監(jiān)測平臺系統(tǒng)。系統(tǒng)包括車載環(huán)境感知節(jié)點、數(shù)據(jù)服務中心和PC監(jiān)測終端。以STM32為主處理器的環(huán)境感知節(jié)點采集SO2、PM2.5、溫濕度等空氣質(zhì)量信息，通過 SIM5320模塊獲取節(jié)點的實時位置信息并與數(shù)據(jù)服務中心進行數(shù)據(jù)通信。PC監(jiān)測終端可實時查看節(jié)點當前位置的空氣質(zhì)量狀況，并繪制區(qū)域空氣質(zhì)量分布監(jiān)測云圖。系統(tǒng)實時準確地監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量狀況，彌補了當前宏觀環(huán)境監(jiān)測的不足，為有效控制污染及解決環(huán)境問題提供了有力參考。

GPS；STM32；環(huán)境監(jiān)測；SIM5320；GIS

0　引言

隨著我國工業(yè)化進程的飛速發(fā)展，國民經(jīng)濟蒸蒸日上，但與此同時環(huán)境問題卻日益嚴峻。有關資料顯示，我國33個城市出現(xiàn)了嚴重的霧霾天氣，對人們的身體健康和出行安全造成了嚴重威脅[1]。然而當前應用的空氣質(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、無線通信技術、微處理器技術和傳感器技術的發(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。本文結合傳感器技術、通用分組無線技術(General Packet Radio Service，GPRS)、GPS定位技術[4-5]、軟件設計技術以及ArcGIS Engine開發(fā)技術，設計了能夠?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)到服務器，然后通過監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)進行查詢、監(jiān)測及空氣質(zhì)量分布云圖繪制的系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由車載環(huán)境感知節(jié)點、數(shù)據(jù)服務中心、監(jiān)測終端和移動客戶端構成，圖1所示為系統(tǒng)的整體架構。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)進行篩選、去噪等預處理，然后通過 GPRS網(wǎng)絡以UDP協(xié)議傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳送至服務器。服務器端對數(shù)據(jù)進行分析、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。

圖1　系統(tǒng)整體框架

2　系統(tǒng)硬件設計

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模塊等構成，其硬件結構框圖如圖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)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)服務器。感知節(jié)點同時可以響應按鍵事件，并將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)實時地在本地顯示。

圖2　感知節(jié)點硬件框架

2.1PM2.5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扇代替氣泵產(chǎn)生所需的粒子流通過感應區(qū)，避免了需要定期更換常規(guī)氣泵保護過濾器。具有測試精度高（可細分 16通道測試）、性能穩(wěn)定、響應時間快、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氧化過程的工作電極電位，根據(jù)法拉第定理，其反應產(chǎn)生的感應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測溫元件構成，是含有一個校準輸出的溫濕度復合數(shù)字信號傳感器。其體積小、性能高、成本小、功耗低，環(huán)境適應性廣泛，信號的傳輸距離可達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設計的尺寸。STM32F103單片機通過串口通信與SIM5320模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，使用標準的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構框圖。

圖3　無線通信模塊結構框圖

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1感知節(jié)點軟件設計

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的基礎上實現(xiàn)應用程序的開發(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；接下來進行μC/OS-Ⅱ協(xié)議棧的配置，執(zhí)行處理器件和外設硬件的初始化；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)并向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)的任務。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。

圖4　感知節(jié)點軟件工作流程圖

3.2數(shù)據(jù)服務中心軟件設計

數(shù)據(jù)服務器獲取感知節(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[7]是一種邏輯性地為其他應用程序提供數(shù)據(jù)與服務的網(wǎng)絡應用與服務組件。系統(tǒng)在服務器本地及遠程PC監(jiān)控終端通過網(wǎng)絡協(xié)議和規(guī)定的標準數(shù)據(jù)訪問Web服務，從而使得Web服務在內(nèi)部執(zhí)行得到應用程序所需結果，完成與數(shù)據(jù)服務器的數(shù)據(jù)交互。Web服務具有良好的跨平臺性、跨網(wǎng)絡性、跨系統(tǒng)性和高度可集成性，為本系統(tǒng)的可擴展和可集成提供有力保障。

數(shù)據(jù)采集服務采用通用的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議 TCP/UDP與感知節(jié)點進行數(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)集成與處理服務進行數(shù)據(jù)集成，各服務間以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)共享的基礎。數(shù)據(jù)服務中心將感知節(jié)點數(shù)據(jù)進行匯聚并通過數(shù)據(jù)采集服務對數(shù)據(jù)進行分析和存儲。數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸、數(shù)據(jù)集成與處理各部分功能采用 Web Service技術，構成一個數(shù)據(jù)采集與服務平臺，提供移動終端訪問的接口。

3.3監(jiān)控終端軟件設計

監(jiān)控終端云圖平臺軟件在.NET平臺基礎上利用ArcGIS Engine進行二次開發(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與服務器MS SQL Server數(shù)據(jù)庫進行交互，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，地理位置的標識，高程值的標識以及用克里金空間插值算法進行等高線的繪制等功能?？死锝鹂臻g插值算法，又稱空間局部插值法，利用感知節(jié)點所采集的相關地理范圍內(nèi)的采樣點進行估計待插點，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)和定位信息方面準確度良好，UDP收包率較高，符合實際應用的需求。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)量指標的云圖效果。整個系統(tǒng)運行能夠滿足設計要求，系統(tǒng)可靠性高，可以實現(xiàn)對空氣質(zhì)量的實時、準確的監(jiān)測。

圖5　車載環(huán)境感知節(jié)點

圖6　PC監(jiān)測終端軟件徐州云龍區(qū)監(jiān)測效果

5　結論

本文設計并研發(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；利用廣泛應用、覆蓋范圍廣的3G網(wǎng)絡傳輸數(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)挖掘技術將海量的城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分析和預測，發(fā)現(xiàn)城市區(qū)域與空氣質(zhì)量之間的潛在關系，進而定位污染源，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。

[1]張永強，王冠群.“綠色話語”下我國生態(tài)文明建設中自然觀的重構——基于“霧霾”事件的反思[J].重慶郵電大學學報(社會科學版)，2014(2)：12-17.

[2]樵地英.我國環(huán)境監(jiān)測技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的探討[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2013(2)：39-40.

[3]趙秧.環(huán)境監(jiān)測技術和監(jiān)測儀器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國新技術新產(chǎn)品，2014(21)：135.

[4]張連俊，劉世杰.基于 WCDMA與 GPS公交監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].通信技術，2012(12)：124-126，130.

[5]石存杰.智能車載終端子系統(tǒng)的設計與研究[J].電子技術應用，2013(10)：130-132.

[6]毛開凱，朱曉錦，康宛琪.車載遠程動態(tài)跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸[J].儀表技術，2013(6)：7-9.

[7]龔瑞琴，畢利.基于 Web Service的 Android技術應用研究[J].電子技術應用，2014，40(1)：134-136.

[8]沈麗霞.基于 GIS的城市環(huán)保地理信息系統(tǒng)的設計與建設[J].城市勘測，2014(4)：43-47.

Design of urban environmental health monitoring platform based on vehicle GPS terminal

Mao Yaqing，Hu Zhanpeng，Yu Xiao，Wu Xiang
(School of Medical Information，Xuzhou Medical College，Xuzhou 221000，China)

Aiming at the problems of the current application of air quality monitoring system,such as the limitation of the scope and the poor real-time performance,the urban environmental health monitoring platform based on vehicle GPS terminal was designed and developed.The system includes vehicle environment sensing node,data service center and PC monitoring terminal.On the basis of STM32,environmental sensing node collects sulfur dioxide,PM2.5,temperature,humidity and other air quality information.Node gets its real-time location information and communicates with data service center by the SIM5320 module.PC monitoring terminal can check the air quality of the node's current position in real time,and draw the regional air quality distribution monitoring image.The system monitors the situation of environmental quality timely and accurately,makes up for the lack of the government's macro environmental monitoring,and provides a powerful reference for the control of pollution and the solution of environmental problems.

GPS；STM32；environmental monitoring；SIM5320；GIS

TP212；TP274

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.019

江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新項目(BY2014033)；徐州市科技計劃項目(XM13B021，XM12B077)

2016-01-18)

毛亞青（1995-），男，本科在讀，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、職業(yè)健康。

胡展鵬（1995-），男，本科在讀，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、測量與控制。

吳響（1985-），通信作者，男，博士，實驗師，主要研究方向：時間序列分析、體域網(wǎng)，E-mail：wuxiang0428@163.com。

中文引用格式：毛亞青，胡展鵬，俞嘯，等.基于車載 GPS終端的城市環(huán)境健康監(jiān)測平臺設計[J].電子技術應用，2016，42 (5)：68-70，73.

英文引用格式：Mao Yaqing，Hu Zhanpeng，Yu Xiao，et al.Design of urban environmental health monitoring platform based on vehicle GPS terminal[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：68-70，73.