基于GPS浮動車法的城市PM2.5監測系統設計※

許晉河，蔡利芹，郭唐儀

(南京理工大學 自動化學院，南京210094)

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基于GPS浮動車法的城市PM2.5監測系統設計※

許晉河，蔡利芹，郭唐儀

(南京理工大學 自動化學院，南京210094)

摘要:為了解決現有PM2.5監測站成本高、監測數據更新時間長、在具體位置處監測值不夠精確等問題，設計了一種基于GPS浮動車法的城市PM2.5監測系統。該系統包括車載PM2.5檢測設備和監控中心兩部分，車載檢測設備的主控芯片為LPC2366。通過將車載PM2.5檢測設備裝載到城市移動車輛上，收集整個城市的PM2.5數據，生成城市PM2.5的分布圖與點聚圖，并通過網頁的形式進行發布。該系統大大降低了PM2.5監測成本，增強了監測實時性，提高了監測的效率。

關鍵詞:GPS浮動車法;城市PM2.5監測系統;LPC2366;PM2.5；分布圖；點聚圖

引言

本文將浮動車法應用在城市PM2.5數據的采集，以光散射法為理論指導，提出了一種基于GPS浮動車法的城市PM2.5監測系統。系統具有部署簡便、成本低、實時性強等優點。

1系統總體設計

監測系統包括車載檢測設備和監控中心兩部分，系統示意圖略——編者注。在城市出租車或公交車上裝載車載檢測設備，就可以對經過的地點進行PM2.5檢測，并將檢測結果和北斗衛星定位信息通過互聯網發送給監控中心。監控中心將數據進行處理后存儲。監控中心根據城市居民的查詢需求，將數據通過PM2.5分布圖的形式直觀地呈現出來，便于居民查詢。

監測系統的具體系統結構如圖1所示，其中，車載檢測設備由PM2.5檢測模塊、北斗定位模塊、控制模塊和數據通信模塊組成；監控中心由數據接收解析模塊、數據存取模塊、PM2.5顯示模塊組成。

圖1　基于GPS浮動車法的城市PM2.5監測系統結構圖

2車載檢測設備設計

車載檢測設備的測量精度和功耗是主要考慮的因素，因此選用LPC2366微控制器和高精度低功耗的檢測傳感器[3]。車載檢測設備硬件的總體結構如圖2所示。

圖2　車載檢測設備硬件的總體結構

2.1車載檢測設備硬件設計

檢測設備的硬件設計采用模塊化設計方法，根據系統的總體功能需求，進行系統硬件設計。

2.1.1電源模塊電路設計

電源模塊的穩定性和可靠性對于硬件電路設計至關重要。本系統外部輸入電源為直流12 V，經過電壓轉換芯片將12 V電壓轉換為5 V、3.3 V兩種電壓，其中5 V為PM2.5檢測傳感器供電，其余的器件均由3.3 V供電。電壓轉換芯片根據PM2.5監測儀及各芯片輸入電壓等參數進行選擇，保證電路正常穩定工作。檢測設備選用LM2576HVS-5.0將12 V電壓轉換為5 V，選用SPX3819M5-3.3將5 V電壓轉換為3.3 V。在外部沒有電源輸入時，電源模塊還可以通過鋰電池進行供電。

2.1.2主控單元電路設計

主控單元電路是整個檢測設備設計的關鍵點，它是所有模塊的信息和通信紐帶。主控單元控制芯片采用LPC2366，根據這個芯片設計最小系統，圖3為主控單元的硬件連接框圖。

圖3　主控單元的硬件連接框圖

最小系統由控制芯片LPC2366、12 MHz時鐘電路、復位電路、3.3 V電源和JTAG調試接口組成[4]。考慮到控制器需要的時鐘精度較高，選擇12 MHz的外部晶振作為時鐘源。系統運行過程中會出現程序跑飛或電壓過低情況，致使系統無法正常工作，為了提高系統工作的穩定性，設計了復位電路，使得系統發生異常情況時，可以通過硬件復位使檢測設備回到初始狀態。LPC2366使用的是JTAG調試接口，調試軟件可以通過JTAG對主控芯片進行實時在線調試。

2.1.3PM2.5檢測模塊電路設計

PM2.5檢測模塊的傳感器選擇夏普GP2Y1051AU0F，它是一款基于散射原理的粒子計數器[5]，可以直接得到PM2.5值。它的檢測輸出方式為電壓輸出。

傳感器輸出電壓為0~5 V，主控芯片UART2接收電壓范圍為0~3.3 V，因此在傳感器接口J2和主控芯片LPC2366之間設計一個帶跟隨器的分壓電路，其中運算放大器OPA2333作為跟隨器使用。為了減小測量誤差，檢測模塊還加入了DS18B20作為溫度補償，電路原理圖如圖4所示。

圖4　PM2.5檢測模塊電路原理圖

2.1.4北斗定位模塊電路設計

北斗定位模塊選擇和芯星通公司UM220-Ⅲ芯片，它是一款高性能北斗定位模塊，通過UART串口接收定位信息。北斗定位模塊電路原理圖略——編者注。

2.1.5GPRS通信模塊電路設計

遠程監控中心通過GPRS收集安裝在浮動車上的PM2.5檢測設備的數據，并對設備數據采集的周期進行控制。本設備選用SIM900A模塊作為GPRS無線通信模塊，它是SIMCOM公司推出的小體積、低功耗、即插即用的GPRS無線通信模塊，提供通用的AT指令集[6]。GPRS通信模塊電路原理圖略——編者注。

2.2車載檢測設備軟件設計

車載檢測設備通過軟件設計實現完整功能，軟件設計的目標是：開啟后，進行各模塊的初始化。初始化完成后，檢測設備后臺進行PM2.5檢測數據的采集和處理，同時接收當前位置的北斗定位信息和時間。設備搜索并連接到無線網絡，檢測設備根據制定好的協議向服務器發送數據信息，以及接收服務器返回的控制信息。

2.2.1檢測設備主程序設計

系統上電后，首先是對目標板進行初始化，設置系統時鐘、工作頻率、中斷向量等控制寄存器的值。目標板初始化后，再對各個模塊進行初始化。初始化各模塊后，PM2.5檢測模塊后臺進行PM2.5檢測數據的采集和處理。之后，北斗定位模塊接收當前位置的定位信息以及當前的時間。然后，GPRS通信模塊與服務器連接后，檢測設備將PM2.5值、采樣點定位和時間信息通過GPRS無線網絡發送給服務器。發送完成后返回執行PM2.5檢測模塊程序，進行下一次PM2.5檢測,主程序不斷循環。檢測設備主程序流程圖如圖5所示。

圖5　檢測設備主程序流程圖

2.2.2PM2.5檢測模塊程序設計

圖6　PM2.5檢測模塊　程序設計流程圖

PM2.5傳感器檢測PM2.5時，輸出的是電壓值。傳感器的文檔給出及輸出的電壓與PM2.5濃度關系。通過最小二乘法擬合曲線，借助MATLAB擬合后得到的曲線略——編者注。PM2.5濃度值并非我們日常生活中用的數值，所以得到PM2.5濃度后，還需要換算成空氣質量指數AQI。

微控制器通過串口接收傳感器傳回來的電壓值，將電壓值進行平滑濾波去除毛刺信號。將得到的電壓值通過公式轉換為PM2.5濃度值，再通過濃度轉換AQI得到AQI值。PM2.5檢測模塊程序設計流程如圖6所示。

2.2.3北斗定位模塊程序設計

微控制器通過串口接收北斗定位模塊發送過來的定位信息，定位信息需要根據特定的協議進行解析。UM220數據接口協議為Unicore，在Unicore協議中，輸入和輸出的語句被統稱為消息。每條消息均為全ASCII字符組成的字符串。消息的基本格式為：$MSGNAME,data1,data2,data3,…[*CC] 。

圖7　北斗定位模塊　程序流程圖

所有的消息都以'$'(0x24)開始，后面緊跟著的是消息名。根據數據接口定義將串口接收回來的定位信息進行解析得到經緯度和當前時間點。北斗定位模塊程序流程圖如圖7所示。

2.2.4GPRS通信模塊程序設計

為了保證通信數據的準確性，提高檢測設備的可靠性，需要指定通信協議。由于沒有通用的協議，根據實際需求制定了檢測設備發送實時數據協議，協議包括幀頭、幀長、幀標識、設備號、PM2.5濃度值、經緯度和幀尾。

檢測設備將PM2.5值、采樣點定位和時間信息通過GPRS無線網絡發送給服務器。延時等待服務器返回確認包，若在規定響應時間內未收到應答，設備重發上述數據。當設備收到確認包或重發次數超過3次時，GPRS通信結束。GPRS通信模塊程序流程圖略——編者注。

3監控中心軟件設計

監測系統需要采集和存儲的數據量十分龐大，基于大數據進行的PM2.5分布圖顯示所需的計算量也十分巨大。因此，本系統選用云服務器和云數據庫，來完成云計算和云存儲過程。

3.1監控中心運行環境部署

系統的監控中心部署在阿里云服務器ECS上，阿里云服務器是一種簡單高效、處理能力可彈性收縮的計算服務，可以快速構建穩定、安全的應用，運行效率高，維護方便。

系統數據庫使用阿里云數據庫RDS，阿里云數據庫采取主從雙機熱備架構，具有多重安全防護措施和完善的性能監控體系，并提供專業的數據庫備份、恢復及優化方案。在云服務器中安裝的Web服務器為Apache服務器，云數據庫為MySQL數據庫。

3.2數據接收解析程序設計

數據接收解析程序運行后，等待檢測設備發送數據。當有數據發送到監控中心后，程序開始根據檢測設備發送協議進行數據解析，得到PM2.5值、定位經緯度以及檢測時間。接收到數據后根據服務器應答協議給檢測設備發送應答幀。程序接收到的定位信息為北斗衛星得到的經緯度信息，并不是百度地圖上的經緯度信息。因此，需要經過坐標轉換后才能得到百度坐標系下的坐標。接收到的時間信息為字符型，需要轉換為時間類型的值才能存入數據庫。經過必要處理后便可以將這些數據存入數據庫中。數據接收解析程序流程圖略——編者注。

3.3數據庫存儲程序設計

首先，需要與阿里云數據庫建立連接，給出數據庫的內部地址、用戶名和密碼。連接建立不成功會出現提示，連接成功后，打開數據庫，在數據庫中找到對應數據表。將解析處理后的數據存到數據表中，根據分布圖顯示的需求對數據進行讀取操作，最后關閉數據庫。為了實現數據讀寫分離[7]，系統的數據庫采用由一個RDS讀寫實例和一個RDS只讀實例構成的主從式存儲結構。讀寫實例只負責數據存儲，只讀實例只負責數據訪問，兩個實例通過內部的同步保持數據的一致性。數據庫存取程序流程圖略——編者注。

3.4PM2.5顯示程序設計

PM2.5顯示包括分布圖顯示和點聚圖顯示。程序開始首先顯示百度地圖，用戶可以選擇是否顯示PM2.5分布圖，選擇“是”則顯示，否則不顯示。當顯示PM2.5分布圖后，用戶可以選擇關閉分布圖。用戶可以選擇是否顯示點聚圖，選擇“是”則顯示，否則不顯示。當顯示PM2.5點聚圖后，用戶可以選擇關閉點聚圖。根據用戶的選擇，程序讀取服務器數據并進行處理顯示或刷新頁面等操作。PM2.5顯示程序流程圖略——編者注。

分布圖上PM2.5值與顏色的對應關系為：

ColorRGB=PMArray×BaseRGB

其中，PM2.5ug/m3為數據集合中的PM2.5數值。

PM2.5顯示圖如圖8所示。圖中同時顯示了分布圖和點聚圖，數據為南京市國道G312的監測數據，其中標有數值的點為聚合點。

結語

圖8　PM2.5顯示圖

基于浮動車法的城市居民出行路徑規劃系統具有較好的創新性和實用性。創新性體現在，將道路交通專業的浮動車調查法創新性地用在PM2.5值的檢測中，這樣可以降低檢測PM2.5的成本，同時可以實現整個城市各個點的實時準確監測。實用性則體現在將大數據、云存儲和云計算運用到城市環境監控和居民健康出行中，使我們的城市更加智慧和宜居。

參考文獻

[1] 楊洪斌,鄒旭東,汪宏宇,等.大氣環境中PM2.5的研究進展與展望[J]. 氣象與環境學報,2012,28(3):77-82.

[2] 傅敏寧,鄭有飛,徐星生,等.PM2.5監測及評價研究進展[J]. 氣象與減災研究,2011,34(4):1-6.

[3] 賴于樹.ARM微處理器與應用開發[M].北京:電子工業出版社,2007.

[4] 廣州周立功單片機發展有限公司.LPC23XX器件用戶手冊(Rev.01),2008.

[5] 朱軍,向騰輝,張小美,等.基于ZigBee技術的大氣PM2.5監測系統設計[J].測控技術,2013,32(11):10-13.

[6] 王鐵流,馮正乾,周尚,等.基于SIM900的無線遠程海洋監測終端機的設計[J].電子測量技術,2012(12):108-111.

[7] 于慧娟.SQLServer的分布式部署方案探討[J].黑龍江科技信息,2012(23):43-43.

許晉河(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式系統與自動檢測技術應用。

ST微控制器和功率半導體獲豐田汽車采用

意法半導體(STMicroelectronics)宣布其32位微控制器和功率MOSFET獲豐田汽車(Toyota)采用，用于開發新一代普稅斯的DC-DC轉換器。新一代普稅斯是第四代混合動力汽車。

DC-DC轉換器是被稱作混合動力汽車(hybrid electric vehicle)心臟的動力控制單元的基本組件，還被用于逆變器和可變電壓系統(variable-voltage system)。新一代普稅斯的DC-DC轉換器設計采用意法半導體的32位車用微控制器，用于控制電瓶或發電機輸出的汽車14 V子系統所使用的電壓降低(voltage reduction)問題，例如汽車收音機、照明及雨刷系統。DC-DC轉換器還用到了意法半導體的兩款功率MOSFET。意法半導體的芯片與汽車廠商的軟件系統配合，實現高能效的電壓轉換和低散熱特性，進而幫助動力控制單元微型化。

Urban PM2.5 Monitoring System Based on GPS Floating Car Method※

Xu Jinhe,Cai Liqin,Guo Tangyi

(School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract：In order to solve the problem of high cost,long update time of the monitoring data,and inaccurate value in some specific location of the PM2.5 monitoring station,the urban PM2.5 monitoring system based on GPS floating car method is designed.The system includes the vehicle detection equipment for PM2.5 and the monitoring center.The main control chip of the vehicle detection equipment is LPC2366.The urban PM2.5 data is collected by the PM2.5 testing equipment installed in the moving vehicles,then the data is converted into the PM2.5 distributed map and clustered map,and the maps are released on the web.The system greatly reduces the cost of PM2.5 monitoring,enhances the real-time of monitoring,and improves the efficiency.

Key words:GPS floating car method;urban PM2.5 monitoring system;LPC2366;PM2.5；distributed map；clustered map

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-09-11)

中圖分類號:TP27

文獻標識碼:A