基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市交通污染監(jiān)測系統(tǒng)

呂東方，張正華，李忍忍

(揚州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市交通污染監(jiān)測系統(tǒng)

呂東方，張正華，李忍忍

(揚州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

為了改善城市空氣質(zhì)量，加強城市交通污染監(jiān)測，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市交通污染監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對城市交通污染狀況的遠程實時監(jiān)測。大量傳感節(jié)點部署于城市各大交通干道，采集各種交通污染信息，由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)處理后通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠端監(jiān)控中心，實現(xiàn)城市交通污染信息的采集、處理及發(fā)布系統(tǒng)。該系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，覆蓋范圍廣，移植能力強。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了交通污染數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)測，且運行準(zhǔn)確、可靠。

物聯(lián)網(wǎng)；城市交通污染；ZigBee；3G

0 引言

近年來隨著機動車輛的數(shù)量迅速增長，城市交通污染問題日益突出，對居民健康造成嚴(yán)重威脅[1]。2016年1月，中國國家環(huán)保部發(fā)布了《2015年中國機動車污染防治年報》，指出2014年全國機動車數(shù)量已達24 577.2萬輛，較1980年數(shù)字增加了33倍，尾氣排放已成為我國空氣污染的重要來源[2]。城市交通的發(fā)展在推動了城市化進程的同時也帶來了嚴(yán)重的城市大氣污染問題[3]。加強城市交通污染環(huán)境監(jiān)測，是改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量的重要前提[4]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，智慧城市的建設(shè)迎來寶貴機遇[5]，特別是在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用[6]，帶來新的融合與發(fā)展[7]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為城市交通污染監(jiān)測提供了有利的工具[8]。傳統(tǒng)采集方法采用瞬時采樣法，現(xiàn)場采集樣本，將樣品帶回實驗室儀器分析的方法監(jiān)測。這種監(jiān)測方法監(jiān)測效率低、耗時長、代表性差、設(shè)備投資大，不能反應(yīng)交通污染數(shù)據(jù)的實時變化情況，不能實時在線監(jiān)測。本文基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測城市交通污染信息，與傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)相比，具有采集數(shù)據(jù)量大、精確度高、部署方便、無需布線和監(jiān)測查詢靈活等優(yōu)點[9]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

城市交通污染監(jiān)測系統(tǒng)主要包括3部分：系統(tǒng)前端由交通污染監(jiān)測采集模塊和ZigBee無線收發(fā)模塊實現(xiàn)交通污染數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送；系統(tǒng)中端由ARM智能網(wǎng)關(guān)接收系統(tǒng)前端采集的數(shù)據(jù)并進一步處理；系統(tǒng)后端由3G無線通信模塊及服務(wù)器系統(tǒng)構(gòu)成。監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

大量的監(jiān)測傳感器模塊部署于城市各大交通干道，負責(zé)感知不同路段的各種交通污染信息，包括PM2.5、PM10和一氧化碳濃度等；采集后的數(shù)據(jù)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給嵌入式ARM智能網(wǎng)關(guān)；智能網(wǎng)關(guān)對這些數(shù)據(jù)進行初步綜合處理后，通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠端監(jiān)控中心；監(jiān)測中心通對收集到的數(shù)據(jù)進行處理分析，發(fā)布相關(guān)污染信息，并對城市交通資源合理配置決策提供依據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)測采集節(jié)點硬件設(shè)計

交通污染監(jiān)測采集模塊主要由傳感器單元、微控制器處理單元和ZigBee無線通信3 個基本單元組成，如圖2所示。

圖2 交通污染監(jiān)測采集模塊結(jié)構(gòu)

傳感器單元由傳感器和A/D電路模塊組成，其作用是感知和獲取交通污染物參數(shù)，然后將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。傳感器選擇SDS011激光PM2.5傳感器和MQ-7一氧化碳傳感器。SDS011傳感器采用激光散射原理[10]，能夠得到空氣中0.3～10 μm懸浮顆粒物濃度，具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、數(shù)字化輸出和集成度高等特點。MQ-7一氧化碳傳感器采用半導(dǎo)體氣敏元件，對一氧化碳的靈敏度較高，而且長壽命、低成本，驅(qū)動電路簡單，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)環(huán)境的一氧化碳探測裝置。

微控制器處理單元主要負責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸。微控制器采用廣泛使用的STC12C5A60S2芯片，由全球最大的8051單片機生產(chǎn)商STC生產(chǎn)，是一款高性能、低功耗、抗干擾且價格低廉的單片機芯片。

2.2 ZigBee通信模塊設(shè)計

ZigBee通信模塊由多個ZigBee終端采集節(jié)點和一個ZigBee中心節(jié)點組成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。分散的終端節(jié)點將采集的交通污染參數(shù)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)，發(fā)給中心節(jié)點并由嵌入式網(wǎng)關(guān)對采集的數(shù)據(jù)進一步處理。

ZigBee通信模塊采用美國德州儀器(TI)的CC2530芯片，CC2530芯片結(jié)合了高性能低功耗的微控制器和高性能的射頻收發(fā)器，具有很好的抗干擾性和優(yōu)良的無線接收靈敏度[11]。

2.3 網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計

基于嵌入式技術(shù)的ARM智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。因為ARM微處理器具有高性能、低功耗、成本低和體積小等諸多優(yōu)點[12]，智能網(wǎng)關(guān)主控芯片采用三星生產(chǎn)的基于ARM11的處理器S3C6410，該芯片具有高性能、低功耗和高性價比等特點，廣泛應(yīng)用于移動或手持終端設(shè)備。3G模塊采用華為EM770W 3G WCDMA模塊，EM770W 接口為mini PCIE，該接口具有52個引腳。

圖3 ARM智能網(wǎng)關(guān)模塊硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)測采集模塊程序設(shè)計

系統(tǒng)前端監(jiān)測采集模塊主要實現(xiàn)2個功能：① 讀取傳感器獲得交通污染物參數(shù)；② 通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。程序流程圖如圖4所示。

ZigBee模塊的程序采用德州儀器公司發(fā)布的Z-Stack協(xié)議棧來開發(fā)的，該協(xié)議?？梢詮木W(wǎng)上免費下載使用。通過使用德州儀器提供的協(xié)議棧模板，可以輕松創(chuàng)建ZigBee終端節(jié)點和中心節(jié)點程序，要實現(xiàn)所需要的功能只需要通過修改APP 程序。ZigBee終端監(jiān)測采集節(jié)點可以自動請求加入網(wǎng)絡(luò)，首先節(jié)點上電初始化，然后中心節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求，當(dāng)收到ZigBee中心節(jié)點的入網(wǎng)響應(yīng)時，通過zb_BindDevice()函數(shù)發(fā)出綁定請求。當(dāng)中心節(jié)點響應(yīng)后，即可完成綁定操作。ZigBee監(jiān)測采集節(jié)點開始讀取前端采集的交通污染數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點。

圖4 監(jiān)測采集模塊程序流程

3.2 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)部分是系統(tǒng)的重要部分，接收系統(tǒng)前端采集的交通污染數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)后端的監(jiān)測中心。嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序流程圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)主程序流程

網(wǎng)關(guān)主程序首先打開串口，讀取串口數(shù)據(jù)，即可得到ZigBee接收的交通污染數(shù)據(jù)，然后再通過網(wǎng)關(guān)的3G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心的服務(wù)器。在嵌入式Linux系統(tǒng)下，設(shè)備相當(dāng)于文件，通過讀寫改文件，實現(xiàn)對串口的操作。網(wǎng)關(guān)主程序收到打開串口，并初始化串口，如果成功打開串口，會返回fd作為文件標(biāo)識符，通過對fd操作即可對串口進行讀寫操作[12]。嵌入式網(wǎng)關(guān)在收到前端采集的數(shù)據(jù)后，先對數(shù)據(jù)進一步處理，然后通過UDP通信程序，連接到監(jiān)測中心的服務(wù)器，并發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 3G模塊程序設(shè)計

3G模塊是系統(tǒng)的重要組成部分,主要完成智能網(wǎng)關(guān)和遠端監(jiān)控中心的信息交互。3G模塊與ARM是通過PCIE接口相連，為完成3G模塊的撥號上網(wǎng)功能，需要內(nèi)核、驅(qū)動和應(yīng)用程序?qū)用娴?個層面的支持。內(nèi)核和驅(qū)動層面主要是通過對驅(qū)動修改并重新配置內(nèi)核置來完成。對于撥號上網(wǎng)應(yīng)用程序的支持，采用 TCP 協(xié)議棧，使用 Socket 編程思想實現(xiàn) 3G 網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。3G通信客戶端主要負責(zé)向服務(wù)器請求、發(fā)送數(shù)據(jù)和應(yīng)答數(shù)據(jù)等工作。首先，客戶端先通過Socket()函數(shù)創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)報套接字，接著綁定端口號。綁定成功后后，客戶端使用sendto()函數(shù)向監(jiān)測中心的服務(wù)器端發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報[13]，并等待服務(wù)器端的回應(yīng)。3G通信客戶端程序設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 3G通信客戶端程序流程

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

為了測試系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性，選取某路口對系統(tǒng)進行簡單測試。在主干道交叉路口放置3個監(jiān)測采集節(jié)點，并配備固定的ID號，負責(zé)采集該路口的交通污染數(shù)據(jù)。在采集節(jié)點不遠處放置一個嵌入式ARM網(wǎng)關(guān)，用來接收前端采集的數(shù)據(jù)并通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)給監(jiān)測中心。在監(jiān)測工作站內(nèi)，通過PC服務(wù)器監(jiān)測軟件遠程查看傳輸來的路口實時交通污染信息。

在某一時段的實際測量結(jié)果如圖7所示。通過對比現(xiàn)場實際濃度，系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)基本準(zhǔn)確，并實現(xiàn)了遠程實時在線監(jiān)測交通污染信息。與傳統(tǒng)的交通污染數(shù)據(jù)采集相比，系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)量大、實時性強、部署方便、監(jiān)測查詢靈活等優(yōu)點。

圖7 系統(tǒng)測試交通污染濃度趨勢

5 結(jié)束語

近年來隨著城市空氣質(zhì)量不斷惡化，改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量、加強城市交通污染監(jiān)測刻不容緩。本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市交通污染監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測城市交通污染信息，具有采集數(shù)據(jù)量大、精確度高、部署方便、無需布線和監(jiān)測查詢靈活等優(yōu)點。系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、覆蓋范圍廣，而且系統(tǒng)移植能力強，稍做修改就可以應(yīng)用于其他監(jiān)測領(lǐng)域。

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呂東方 男，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

張正華 男，(1965—)，碩士，副教授。主要研究方向：實時信號處理。

Urban Traffic Pollution Monitor System Based on Internet of Things

LV Dong-fang,ZHANG Zheng-hua,LI Ren-ren

(SchoolofInformationEngineeringofYangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225127,China)

In order to improve the air quality of urban area and strengthen the monitoring of city traffic pollution,an urban traffic pollution monitoring system is designed based on Internet of things.The system realizes remote real-time monitoring of urban traffic pollution.In this approach,a large number of sensor nodes are deployed in major urban traffic corridors,collecting a variety of traffic pollution information and sending them to the intelligent gateway by ZigBee wireless network.The gateway sends the data to remote server through 3G telecommunication network.This system realizes the acquisition,processing and information publishing system of city traffic pollution,providing flexible networking,wide coverage and strong ability of transplant.Testing results show that the system can realize remote and real-time traffic pollution monitoring accurately and reliably.

Internet of things;urban traffic pollution;ZigBee;3G

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.02

呂東方,張正華,李忍忍.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市交通污染監(jiān)測系統(tǒng)[J].無線電工程,2017,47(1):7-9，15.

2016-10-23

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃基金資助項目(SJZZ15-0178)。

TN919

A

1003-3106(2017)01-0007-03