基于智慧燈桿的智慧感知子系統

張 培，張 偉，吳 剛

（重慶光電信息研究院有限公司，重慶401120）

環境監測是一項涉及內容較廣且十分復雜的工作，易受到設備和監測技術等因素影響，實際工作開展中困難重重，需要連續性地長期監測，才能從監測數據中揭示環境污染問題，預測其變化趨勢，保證監測結果的準確性。以往環境監測工作中應用的技術更多是針對山川、湖泊、江河進行分析，對于突然出現的問題，無法及時有效地進行判斷和分析。將智慧燈桿物聯網技術應用在環境監測中，可為環境監測提供全面、準確的信息數據，整理和分析這些數據信息，能及時有效地發現其中存在的問題，做好預防和控制工作，確保環境保護工作真正落到實處，提升環境監測質量和監測效率。

根據中國對環境監測工作的本質要求，進一步提升環境監測 （包括但不限于空氣監測）能力，根據相關政策和規范，不斷拓寬監測范圍。由于經濟的快速發展，環境污染來源也在不斷增加，在制定相關環境監控政策同時，還應對不同污染物協調監控，以此來提高物聯網監控的有效性，實現數據信息的共享。諸如，通過對PM2.5指標檢測確定污染來源，從而制定有效的監控策略，結合實際情況，健全和完善監測機制，從而實現系統性監測，提升環境監測工作質量和效率。

為提高環境監測效果，提升環境監測工作有效性，需要建立統一的信息環境感知平臺，使環境監測數據和信息得到共享，從而有效加強城市管理水平，提升環境監測質量。集成統一環境感知平臺可以實現數據和信息的自動審核、分析和存儲，深入分析數據信息，確保監測工作的可靠性、及時性和準確性。

1 需求

1.1 功能需求

1）感知設備的管理功能

管理智慧感知設備資產信息和具體分布的地理位置信息。

2）感知設備遠程控制功能

通過智慧感知子系統控制感知設備的數據采集和狀態等。

3）智慧感知數據的監測功能

收集智慧感知子系統采集的數據，并對數據進行存儲分析，實現感知數據的監測功能。

1.2 非功能需求

本地感知的響應時間不大于20 ms。

2 設計方案

2.1 系統功能邏輯圖

系統主要由監控中心、集中控制器、傳感器管理、通信網絡和軟件平臺5部分構成，可根據每個城市的具體規模和需求情況調整，組成適合該城市的個性化管理系統。智慧感知子系統功能主要包括感知設備管理、設備遠程控制功能和監測感知數據功能 （見圖1）。

圖1 系統功能邏輯圖

2.2 系統設計

以嵌入式微控制器為核心，設計開發智慧燈桿物聯網智能感知嵌入式系統模塊，通過輸入通道或串行通信，與溫度、濕度、風速、風向、PM10、PM2.5等傳感器連接，實時采集環境溫度、濕度、風速、風向、空氣中可吸入顆粒物濃度 （PM10）和細顆粒物濃度 （PM2.5）等參數。通過串行通信，將各檢測參數傳送到智慧燈桿的控制器，以便智慧燈桿的檢測數據就地匯聚 （見圖2）。

2.3 硬件設計

硬件設計包括電源模塊、微控制器模塊、通信模塊、傳感器接口模塊設計，其設計工作如圖3所示。其中，電源模塊不僅要給微控制器模塊供電，還要為各傳感器供電，各部分對電源電壓的要求不一樣，因此，電源部分可獨立成單獨的電路板。微控制器模塊、通信模塊、傳感器接口模塊可集成在一塊電路板上。

圖2 系統示意圖

圖3 硬件設計框圖

2.4 嵌入式軟件開發

嵌入式軟件開發包括微控制器應用、數據采集和串行通信3部分，其構成如圖4所示。程序開發中優先采用基于固件庫的開發方式，通信協議優先考慮Modbus串行通信。

圖4 軟件結構框圖

3 開發實現

通過研發智慧感知應用系統，實現了環境感知功能，研發了2個嵌入式軟件，本地感知的響應時間不大于20 ms，系統運行界面如圖5所示。

圖5 智慧感知應用系統運行界面

4 結論

基于智慧燈桿的物聯網智能感知子系統是新一代的環境監測系統，擁有廣闊的發展空間和應用空間。結合項目的實際需要，分析并設計了智慧燈桿物聯網智能感知子系統。經測試和示范應用，圓滿地完成了預設任務，實現了信息的完整連接。實現功能的范圍比較廣泛，從采集數據、處理數據到反饋數據均有涉及。該系統已在市場上取得了一些示范應用效果，但只對物聯網下智慧感知技術進行了初步的研究和實現，想要設計更具親和力及廣泛性的智慧感知系統，還需開發多模塊的擴展功能，進行更深入的研究工作。