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(guān)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(shù),、無線通信技術(shù),、微處理器技術(shù)和傳感器技術(shù)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(jié)合傳感器技術(shù)、通用分組無線技術(shù)(General Packet Radio Service,，GPRS),、GPS定位技術(shù)^[4-5]、軟件設(shè)計技術(shù)以及ArcGIS Engine開發(fā)技術(shù),，設(shè)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(shè)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(gòu)成,，圖1所示為系統(tǒng)的整體架構(gòu)。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。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)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。

2.1 PM2.5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(gòu)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)框圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 感知節(jié)點軟件設(shè)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(chǔ)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(shè)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。

3.2 數(shù)據(jù)服務中心軟件設(shè)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(jié)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(chǔ)。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(shù),，構(gòu)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(shè)計

    監(jiān)控終端云圖平臺軟件在.NET平臺基礎(chǔ)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(guān)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(shè)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。

5 結(jié)論

    本文設(shè)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(shù)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(guān)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。

參考文獻

[1] 張永強,，王冠群.“綠色話語”下我國生態(tài)文明建設(shè)中自然觀的重構(gòu)——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(shù)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(shù)和監(jiān)測儀器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國新技術(shù)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(shù)，2012(12)：124-126,，130.

[5] 石存杰.智能車載終端子系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].電子技術(shù)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(shù),，2013(6)：7-9.

[7] 龔瑞琴，畢利.基于Web Service的Android技術(shù)應用研究[J].電子技術(shù)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(shè)計與建設(shè)[J].城市勘測，2014(4)：43-47.