涂德鳳,王恩亮,張 帆,徐慧芳
(安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院,安徽 合肥 230088)
基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車(chē)尾氣動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究
涂德鳳,王恩亮,張 帆,徐慧芳
(安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院,安徽 合肥 230088)
本文應(yīng)用WSN技術(shù)、嵌入式技術(shù),以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)一個(gè)汽車(chē)尾氣在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)可對(duì)行駛中的動(dòng)態(tài)車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)控其排放尾氣數(shù)據(jù),并可以實(shí)現(xiàn)指定路段的尾氣排放統(tǒng)計(jì),進(jìn)而為污染超標(biāo)車(chē)輛的管理及污染嚴(yán)重路段治理提供數(shù)據(jù)分析服務(wù).
物聯(lián)網(wǎng);尾氣;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
汽車(chē)尾氣污染問(wèn)題已經(jīng)成為城市空氣污染最重要的來(lái)源,實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)排放污染進(jìn)行有效控制已成為我國(guó)環(huán)境保護(hù)一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù).針對(duì)傳統(tǒng)的汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)有效的監(jiān)管汽車(chē)尾氣的排放問(wèn)題,本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方案.本系統(tǒng)通過(guò)近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊、GPRS無(wú)線通信模塊、傳感器、以太網(wǎng)接口、RS232接口等構(gòu)成一套利用車(chē)載自組網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng).安裝車(chē)載尾氣檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)在車(chē)輛行駛時(shí)不但自身能夠?qū)⑽矚鈹?shù)據(jù)傳送給近距離的匯聚節(jié)點(diǎn),由匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控中心;而且能夠充當(dāng)其他安裝了同類(lèi)型車(chē)載尾氣采集點(diǎn)車(chē)輛的中繼,將行駛或靜止的近距離車(chē)輛的尾氣數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn),再由匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)監(jiān)控中心.
系統(tǒng)只要包括車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成.車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)利用傳感器采集汽車(chē)尾氣參數(shù),采用CC2530結(jié)合CC2591作為控制核心,實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣采集終端的數(shù)據(jù)采集處理以及終端的Zigbee無(wú)線自動(dòng)組網(wǎng).協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是采用ARM芯片作為控制核心結(jié)合GPRS無(wú)線通信模塊、以太網(wǎng)接口模塊與數(shù)據(jù)采集終端自組的Zigbee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng),因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,將ZigBee采集節(jié)點(diǎn)的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器/云服務(wù)器/手機(jī)服務(wù)器,開(kāi)發(fā)后臺(tái)軟件對(duì)尾氣數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化記錄、監(jiān)控和分析.系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示.
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
汽車(chē)尾氣中含有 CO、CO2、HC 化合物、NOx、SO2、微粒物質(zhì)等污染物,根據(jù)汽車(chē)尾氣的氣體成分,分析其特性,選用適合的監(jiān)測(cè)傳感器.本系統(tǒng)需檢測(cè)CO、CO2、HC化合物、O2和NOx五種尾氣濃度.CO、CO2、HC化合物用紅外傳感器檢測(cè),O2用氧傳感器檢測(cè),NOx用氮氧傳感器檢測(cè).根據(jù)設(shè)計(jì)要求,節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.系統(tǒng)通過(guò)傳感器前端采集電路將采集到的尾氣濃度信息發(fā)送給CC2530控制芯片并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀通過(guò)無(wú)線射頻發(fā)送器發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心.節(jié)點(diǎn)采用電池供電,CC2530的MCU采用定時(shí)喚醒工作方式,系統(tǒng)平時(shí)處于休眠狀態(tài),可以降低尾氣傳感器發(fā)射模塊的功耗,操作以中斷服務(wù)程序形式實(shí)現(xiàn).核心芯片CC2530結(jié)合其基本外圍電路包括晶振、A/D基準(zhǔn)電壓、存儲(chǔ)器、傳感器及調(diào)試接口等,加上電源模塊以及射頻前端芯片CC2591,構(gòu)成了尾氣數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng).
車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線方式,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何有效的提高發(fā)射功率、接收靈敏度、通信距離等性能很重要.為了提高通信性能,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用CC2530聯(lián)合CC2591發(fā)送方式,對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)參數(shù)要求很高.與其他射頻前端相比,采用TI推薦的CC2591芯片作為CC2530收發(fā)前端,增益更高,可無(wú)線傳輸距離更遠(yuǎn).同時(shí)編程更簡(jiǎn)單,技術(shù)支持更完備,并可無(wú)縫實(shí)現(xiàn)ZStack休眠低功耗等功能.
圖2 數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
車(chē)載尾氣動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸,監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組織成Zigbee網(wǎng)絡(luò),為了使數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心,必須開(kāi)發(fā)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),與以太網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)接,監(jiān)控人員可以登陸服務(wù)器獲取數(shù)據(jù).
協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理,同時(shí)還可以起到遠(yuǎn)程報(bào)警的作用,結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.車(chē)載數(shù)據(jù)采集終端和協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有相同的ZigBee模塊,方便ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立及數(shù)據(jù)的傳輸,ZigBee芯片與網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口連接傳輸數(shù)據(jù).網(wǎng)關(guān)處理模塊核心控制器采用ARM11內(nèi)核芯片S3C6410,采用WinCE6.0實(shí)時(shí)操作系統(tǒng).可實(shí)現(xiàn)車(chē)載尾氣節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集,不但可以通過(guò)預(yù)留觸摸屏模塊本地顯示,還可以將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊無(wú)線上傳到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò).設(shè)計(jì)中充分考慮硬件的可擴(kuò)展性,預(yù)留了本地觸摸屏模塊接口、報(bào)警電路、wifi模塊接口、以太網(wǎng)接口,可以根據(jù)需要很容易接入.
GPRS模塊系統(tǒng)采用SIMCOM公司的一款高性能工業(yè)級(jí)GSM/GPRS芯片ATK-SIM900A.ATK-SIM900A芯片的工作頻段在900/1800M赫茲,可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)信息的傳輸.另外該芯片還支持標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口和LVTTL串口,并帶硬件流控制,工作電壓在5伏到24伏的超寬工作范圍,可以很方便地進(jìn)行連接.車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收,并將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS上傳至服務(wù)器,監(jiān)測(cè)中心人員可登陸電腦或手機(jī)進(jìn)行監(jiān)控.
圖3 協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
軟件管理平臺(tái)涉及數(shù)據(jù)采集、通信和界面顯示.數(shù)據(jù)采集在汽車(chē)尾氣檢測(cè)區(qū)域內(nèi),短距離內(nèi)的通信采用基于CC2530結(jié)合CC2591實(shí)現(xiàn)Zigbee的通信協(xié)議,車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng),ZigBee是一種低成本、低速率、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、布設(shè)簡(jiǎn)單的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù).在此需要完成嵌入式軟件開(kāi)發(fā),通信協(xié)議開(kāi)發(fā)、控制程序開(kāi)發(fā)等.而涉及遠(yuǎn)程通信部分,則用基于socket的通信編程和TCP/IP協(xié)議.圖形界面顯示則在VS2010下開(kāi)發(fā)WPF界面或者M(jìn)FC界面.從協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲取各個(gè)尾氣監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù),通過(guò)處理分析得到監(jiān)測(cè)區(qū)域中汽車(chē)排放尾氣濃度值,以數(shù)值形式顯示在軟件界面上,并且還能夠得到各個(gè)汽車(chē)尾氣探測(cè)節(jié)點(diǎn)的通信路由信息,在軟件相應(yīng)區(qū)域中繪制出對(duì)應(yīng)的通信路徑,方便實(shí)驗(yàn)觀察;同時(shí)軟件將多個(gè)汽車(chē)尾氣參數(shù)進(jìn)行融合處理來(lái)判斷汽車(chē)污染是否超標(biāo),當(dāng)有尾氣排放超過(guò)標(biāo)準(zhǔn),軟件將記錄尾氣超標(biāo)車(chē)輛,發(fā)出警報(bào).
機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)設(shè)備、未來(lái)新增加的檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)安裝在行駛或靜止的車(chē)輛上,實(shí)施聯(lián)網(wǎng),相對(duì)于現(xiàn)有的尾氣監(jiān)測(cè)方案,可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)汽車(chē)尾氣排放狀態(tài).系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等基礎(chǔ)平臺(tái),用來(lái)搭建整個(gè)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放監(jiān)管系統(tǒng)的底層支撐平臺(tái),為機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣監(jiān)管系統(tǒng)提供穩(wěn)定的計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源,完成管理、控制、數(shù)據(jù)采集、分析決策等工作.
〔1〕荀啟峰.基ZigBee的車(chē)載尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件工程師,2014(10):17-19.
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X51;TP27
A
1673-260X(2017)12-0030-02
2017-09-24
中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目 (2014T70967);2017年度安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2017A630);安徽新華學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2016td018);安徽省大學(xué)生創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2016ckjh095)
赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版2017年24期