新型現(xiàn)代有軌電車內(nèi)PM 2.5濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)代有軌電車內(nèi)PM 2.5濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)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(shè)計了一種新型的基于GPRS的現(xiàn)代有軌電車內(nèi)PM 2.5濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包括車載硬件終端和中心平臺，車載硬件終端實現(xiàn)對電車內(nèi)PM 2.5濃度數(shù)據(jù)采集；中心平臺以TCP協(xié)議的Socket通信為基礎(chǔ)，采用Visual Basic軟件設(shè)計，能實時顯示和記錄車內(nèi)PM 2.5濃度的動態(tài)曲線以及歷史數(shù)據(jù)。車載硬件終端與中心平臺間采用GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊SIM900A通信。該系統(tǒng)通過與車內(nèi)空氣凈化器組合使用，可提高車內(nèi)空氣質(zhì)量。

有軌電車； PM 2.5濃度監(jiān)測； 通用分組無線業(yè)務； 空氣凈化

0 引 言

隨著社會的發(fā)展以及工業(yè)技術(shù)的提高，空氣質(zhì)量也越來越受到人們的重視。現(xiàn)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(nèi)的空氣質(zhì)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(zhì)[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(zhì)),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(tǒng)的PM 2.5濃度測量設(shè)備笨重且精度差，特別是移動性能受到限制，數(shù)據(jù)只能現(xiàn)場查看，這給監(jiān)測帶來了很大的困難[2]。

為克服以上問題以及考慮到監(jiān)測的實時性和經(jīng)濟性，本系統(tǒng)車載終端采用輕巧且精度高的光學粉塵傳感器采集數(shù)據(jù)，STM32微控制器進行數(shù)據(jù)算法分析。以GPRS無線網(wǎng)絡(luò)作為通信方式。實現(xiàn)了對現(xiàn)代有軌電車內(nèi)空氣PM 2.5濃度的實時監(jiān)測，當PM 2.5濃度達到一定數(shù)值時，系統(tǒng)便啟動車內(nèi)的空氣凈化器，從而保證了車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量，有利于出行居民身體健康。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)模塊[3]SIM900A、傳感器驅(qū)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(shù)據(jù)的實時性，硬件終端軟件系統(tǒng)采用UCOS—II實時操作系統(tǒng)，硬件終端主芯片采用STM32F103RBT6。數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至云服務端，中心平臺通過TCP/IP協(xié)議訪問云服務端數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)通過Access數(shù)據(jù)庫進行存儲，并以坐標曲線的形式實時顯示。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(qū)動電路間接和微控制器進行雙向通信；GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊SIM900A通過串口通信與微控制器進行數(shù)據(jù)雙向傳輸；微控制器通過AT指令來控制GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等；微處理器外設(shè)空氣凈化器接口，通過空氣凈化器接口，微處理器可以實現(xiàn)對空氣凈化器的啟?？刂乒δ?。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(nèi)空氣凈化的效果。

2.1 終端傳感設(shè)計

本系統(tǒng)終端傳感器部分采用光學粉塵傳感器GP2Y1010AU。GP2Y1010AU是光學空氣質(zhì)量傳感器，設(shè)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(tǒng)中應用[4]。微控制器發(fā)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(tǒng)的工作電壓為3.3 V，而系統(tǒng)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(zhuǎn)換為3.3 V情況下的輸出曲線來糾正PM 2.5濃度數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)換成3.3V電壓后

(2)

圖3為5V轉(zhuǎn)換成3.3V的電源電路及傳感器驅(qū)動電路。采用電壓轉(zhuǎn)換芯片LT1117—3.3進行電壓轉(zhuǎn)換，輸出電壓為3.3V，該電壓又經(jīng)過2個0.1μF電容器進行平滑濾波處理。PA7為STM32的PWM脈沖調(diào)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(qū)動能力。其中PA0為微控制器的10位A/D轉(zhuǎn)換輸入口，用來處理傳感器輸出的模擬信號。

圖3 電源及驅(qū)動電路

2.2 GPRS通信設(shè)計

車載終端采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)業(yè)務，GPRS僅按照數(shù)據(jù)流量計費，體現(xiàn)了少用少付費的原則[5]。根據(jù)本系統(tǒng)實現(xiàn)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(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴展的AT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，方便用GPRS數(shù)據(jù)傳輸[6]。通過AT指令來控制SIM900A實現(xiàn)其模塊的初始化，如果模塊沒有回復“OK”，初始化程序?qū)⒉辉侔l(fā)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(diào)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(tǒng)軟件設(shè)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?qū)崟r操作系統(tǒng)多任務運行設(shè)計；信息采集處理包括對PM 2.5濃度原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換擬合的算法處理和對GPRS的通信設(shè)置；中心平臺通過基于TCP協(xié)議的Socket通信實時接收和顯示車內(nèi)PM2.5濃度的狀態(tài)曲線。

3.1 車載終端主程序設(shè)計

終端軟件系統(tǒng)采用UCOS—Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)。UCOS—Ⅱ是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一種實時操作系統(tǒng)，其內(nèi)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(shè)置任務堆棧與優(yōu)先級，初始化部分實現(xiàn)對UCOS—Ⅱ的初始化以及任務的創(chuàng)建，可通過任務創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()來實現(xiàn)?？紤]到本系統(tǒng)的實際運行狀況共創(chuàng)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(fā)處理、液晶顯示處理、空氣凈化器控制處理。其中主函數(shù)關(guān)鍵代碼如下：

OSInit(); /*UCOSII操作系統(tǒng)初始化*/

OSTaskCreate(); /*創(chuàng)建任務*/

OSStart(); /*啟動UCOSII操作系統(tǒng)*/

3.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)采用中值濾波算法優(yōu)化數(shù)據(jù)，優(yōu)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(shù)有良好的濾波效果。該算法首先采集A/D的N組數(shù)據(jù)(N為奇數(shù))，然后采用冒泡排序法對N組數(shù)據(jù)進行由大到小排序，最后取得第(N-1)/2數(shù)據(jù)即為所得數(shù)據(jù)。通過對45組數(shù)據(jù)的采集用Matlab繪制成曲線得出采用中值濾波算法前后的數(shù)據(jù)變化曲線如圖5。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定,抗干擾性更強。

圖5 一定時間內(nèi)同一位置PM 2.5濃度分布數(shù)據(jù)

3.3 中心平臺設(shè)計

考慮到VB語言的簡單方便，具有網(wǎng)絡(luò)編程接口控件功能。因此，遠程監(jiān)控中心平臺軟件使用VB中基于Windows Sockets網(wǎng)絡(luò)編程接口的Winsock控件來實現(xiàn)建立連接。通過云服務端作網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送經(jīng)TCP協(xié)議封裝的IP數(shù)據(jù)包，與GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊進行數(shù)據(jù)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(fā)送的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)曲線顯示及存儲；關(guān)閉Socket 連接。圖6為中心平臺框圖。

圖6 中心平臺框圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)車載設(shè)備安裝在有軌電車內(nèi)。PM 2.5傳感器通過對車廂內(nèi)空氣采集，將原始數(shù)據(jù)送給微處理器，通過中值濾波算法對數(shù)據(jù)進行擬合和濾波。此時,GPRS完成初始化，通過串口通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS。GPRS天線接收信號，通過云服務器作為中轉(zhuǎn)平臺，將數(shù)據(jù)發(fā)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(wǎng)絡(luò)坐標實時繪制出PM 2.5濃度的變化曲線。該平臺能監(jiān)測記錄多輛現(xiàn)代有軌電車內(nèi)的PM 2.5濃度變化，以及數(shù)據(jù)存儲顯示。經(jīng)測試,該系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運行，能實時反映出車內(nèi)空氣質(zhì)量的變化情況。

圖7 中心客戶端運行界面

5 結(jié) 論

本文設(shè)計有效地解決了現(xiàn)代有軌電車內(nèi)PM 2.5濃度監(jiān)測困難的問題，通過自動啟停車載空氣凈化器，保證了現(xiàn)代有軌電車內(nèi)空氣質(zhì)量。經(jīng)過實際測試表明:系統(tǒng)工作穩(wěn)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。

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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。