基于物聯網技術的城市交通污染監測系統

呂東方，張正華，李忍忍

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

基于物聯網技術的城市交通污染監測系統

呂東方，張正華，李忍忍

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

為了改善城市空氣質量，加強城市交通污染監測，設計了一種基于物聯網技術的城市交通污染監測系統，實現對城市交通污染狀況的遠程實時監測。大量傳感節點部署于城市各大交通干道，采集各種交通污染信息，由ZigBee無線網絡發送給智能網關，經網關處理后通過3G網絡發送給遠端監控中心，實現城市交通污染信息的采集、處理及發布系統。該系統組網靈活，覆蓋范圍廣，移植能力強。測試結果表明，該系統實現了交通污染數據的遠程實時監測，且運行準確、可靠。

物聯網；城市交通污染；ZigBee；3G

0 引言

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

隨著物聯網技術的迅速發展，智慧城市的建設迎來寶貴機遇[5]，特別是在智能交通領域的應用[6]，帶來新的融合與發展[7]。物聯網技術為城市交通污染監測提供了有利的工具[8]。傳統采集方法采用瞬時采樣法，現場采集樣本，將樣品帶回實驗室儀器分析的方法監測。這種監測方法監測效率低、耗時長、代表性差、設備投資大，不能反應交通污染數據的實時變化情況，不能實時在線監測。本文基于ZigBee無線傳感器網絡、嵌入式技術和3G網絡技術的監測系統，實現遠程實時監測城市交通污染信息，與傳統的空氣質量監測系統相比，具有采集數據量大、精確度高、部署方便、無需布線和監測查詢靈活等優點[9]。

1 監測系統的總體結構

城市交通污染監測系統主要包括3部分：系統前端由交通污染監測采集模塊和ZigBee無線收發模塊實現交通污染數據的采集和無線發送；系統中端由ARM智能網關接收系統前端采集的數據并進一步處理；系統后端由3G無線通信模塊及服務器系統構成。監測系統總體結構如圖1所示。

圖1 監測系統的總體結構

大量的監測傳感器模塊部署于城市各大交通干道，負責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；采集后的數據由ZigBee無線網絡發送給嵌入式ARM智能網關；智能網關對這些數據進行初步綜合處理后，通過3G網絡發送給遠端監控中心；監測中心通對收集到的數據進行處理分析，發布相關污染信息，并對城市交通資源合理配置決策提供依據。

2 系統硬件設計

2.1 監測采集節點硬件設計

交通污染監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 交通污染監測采集模塊結構

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，然后將它轉換成數字信號。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，具有數據穩定可靠、數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，驅動電路簡單，廣泛應用于商業、工業環境的一氧化碳探測裝置。

微控制器處理單元主要負責傳感器數據的采集、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單片機生產商STC生產，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通信模塊設計

ZigBee通信模塊由多個ZigBee終端采集節點和一個ZigBee中心節點組成ZigBee無線傳感器網絡。分散的終端節點將采集的交通污染參數，通過無線傳感網絡，發給中心節點并由嵌入式網關對采集的數據進一步處理。

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

2.3 網關模塊硬件設計

基于嵌入式技術的ARM智能網關結構框圖如圖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點[12]，智能網關主控芯片采用三星生產的基于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，廣泛應用于移動或手持終端設備。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智能網關模塊硬件結構

3 系統軟件設計

3.1 監測采集模塊程序設計

系統前端監測采集模塊主要實現2個功能：① 讀取傳感器獲得交通污染物參數；② 通過ZigBee無線傳感器網絡發給網關。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布的Z-Stack協議棧來開發的，該協議棧可以從網上免費下載使用。通過使用德州儀器提供的協議棧模板，可以輕松創建ZigBee終端節點和中心節點程序，要實現所需要的功能只需要通過修改APP 程序。ZigBee終端監測采集節點可以自動請求加入網絡，首先節點上電初始化，然后中心節點發送入網請求，當收到ZigBee中心節點的入網響應時，通過zb_BindDevice()函數發出綁定請求。當中心節點響應后，即可完成綁定操作。ZigBee監測采集節點開始讀取前端采集的交通污染數據，然后將數據發送給中心節點。

圖4 監測采集模塊程序流程

3.2 網關應用程序設計

嵌入式網關部分是系統的重要部分，接收系統前端采集的交通污染數據，并將數據發送給系統后端的監測中心。嵌入式網關應用程序流程圖如圖5所示。

圖5 網關主程序流程

網關主程序首先打開串口，讀取串口數據，即可得到ZigBee接收的交通污染數據，然后再通過網關的3G模塊將數據發送到監測中心的服務器。在嵌入式Linux系統下，設備相當于文件，通過讀寫改文件，實現對串口的操作。網關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作為文件標識符，通過對fd操作即可對串口進行讀寫操作[12]。嵌入式網關在收到前端采集的數據后，先對數據進一步處理，然后通過UDP通信程序，連接到監測中心的服務器，并發送數據。

3.3 3G模塊程序設計

3G模塊是系統的重要組成部分,主要完成智能網關和遠端監控中心的信息交互。3G模塊與ARM是通過PCIE接口相連，為完成3G模塊的撥號上網功能，需要內核、驅動和應用程序層面等3個層面的支持。內核和驅動層面主要是通過對驅動修改并重新配置內核置來完成。對于撥號上網應用程序的支持，采用 TCP 協議棧，使用 Socket 編程思想實現 3G 網絡中的傳輸。3G通信客戶端主要負責向服務器請求、發送數據和應答數據等工作。首先，客戶端先通過Socket()函數創建一個數據報套接字，接著綁定端口號。綁定成功后后，客戶端使用sendto()函數向監測中心的服務器端發送UDP數據報[13]，并等待服務器端的回應。3G通信客戶端程序設計流程圖如圖6所示。

圖6 3G通信客戶端程序流程

4 系統測試結果

為了測試系統的正確性和穩定性，選取某路口對系統進行簡單測試。在主干道交叉路口放置3個監測采集節點，并配備固定的ID號，負責采集該路口的交通污染數據。在采集節點不遠處放置一個嵌入式ARM網關，用來接收前端采集的數據并通過3G網絡發給監測中心。在監測工作站內，通過PC服務器監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果如圖7所示。通過對比現場實際濃度，系統采集到的數據基本準確，并實現了遠程實時在線監測交通污染信息。與傳統的交通污染數據采集相比，系統具有采集數據量大、實時性強、部署方便、監測查詢靈活等優點。

圖7 系統測試交通污染濃度趨勢

5 結束語

近年來隨著城市空氣質量不斷惡化，改善城市環境空氣質量、加強城市交通污染監測刻不容緩。本文設計了一種基于物聯網技術的城市交通污染監測系統，實現遠程實時監測城市交通污染信息，具有采集數據量大、精確度高、部署方便、無需布線和監測查詢靈活等優點。系統組網靈活、覆蓋范圍廣，而且系統移植能力強，稍做修改就可以應用于其他監測領域。

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[6] 李 野,王晶波,董利波,等.物聯網在智能交通中的應用研究[J].移動通信,2010,34(15):30-34.

[7] 岳建明,林玳玳.我國智能交通產業與物聯網技術的融合與發展分析[J].生產力研究,2012,(5):166-167.

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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。

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.基于物聯網技術的城市交通污染監測系統[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新計劃基金資助項目(SJZZ15-0178)。

TN919

A

1003-3106(2017)01-0007-03