0 引言

    隨著我國工業化進程的飛速發展，國民經濟蒸蒸日上，但與此同時環境問題卻日益嚴峻。有關資料顯示，我國33個城市出現了嚴重的霧霾天氣，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量監測系統^[2]大都存在的監測范圍局限、精度低、實時性差等問題，空氣質量的監測治理已經到了間不容發的地步，空氣質量問題亟待解決。

    與目前傳統的空氣質量監測模式^[3]相比，本文通過車載GPS終端化靜為動，利用城市公交數量龐大、覆蓋范圍廣的特點，連線成面，將可監測區域范圍盡可能地精確至街道、小區。同時在車輛流動性的影響下，不同車輛監測同一個地區的空氣環境，可以消除偶然因素的影響，從而更加高效率地更新空氣環境狀況。

    隨著GPS定位技術、無線通信技術、微處理器技術和傳感器技術的發展，以及片上系統的出現，為解決車載空氣質量的監測問題提供了單芯片解決方案。本文結合傳感器技術、通用分組無線技術(General Packet Radio Service，GPRS)、GPS定位技術^[4-5]、軟件設計技術以及ArcGIS Engine開發技術，設計了能夠實時獲取車載環境感知節點的各參數信息，并轉發到服務器，然后通過監測終端對數據進行查詢、監測及空氣質量分布云圖繪制的系統。

1 系統總體設計

    系統主要由車載環境感知節點、數據服務中心、監測終端和移動客戶端構成，圖1所示為系統的整體架構。環境感知節點采集實時的PM2.5、PM10、SO2濃度、溫度、濕度等空氣質量信息及GPS定位信息，同時對采集的數據進行篩選、去噪等預處理，然后通過GPRS網絡以UDP協議傳輸的方式將數據傳送至服務器。服務器端對數據進行分析、處理和存儲，并提供手持客戶終端訪問的接口。監控終端軟件通過訪問服務器數據庫獲取數據源，利用ArcGIS Engine實現節點定位、實時監控、歷史查詢及繪制空氣質量時空分布云圖等功能。

2 系統硬件設計

    車載環境感知節點終端由電源驅動電路、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、傳感器驅動模塊、LCD模塊等構成，其硬件結構框圖如圖2所示。感知節點采用STM32F103作為主處理芯片，控制定時接收傳感器采集的信號，通過調理電路和傳感器驅動模塊獲取到可使用的數字信號并同時獲取GPS衛星定位數據，STM32通過GPRS網絡將數據傳輸到遠程數據服務器。感知節點同時可以響應按鍵事件，并將環境監測數據實時地在本地顯示。

2.1 PM2.5傳感器模塊

    系統采用的G3攀藤粉塵傳感器使用微型低功率風扇代替氣泵產生所需的粒子流通過感應區，避免了需要定期更換常規氣泵保護過濾器。具有測試精度高（可細分16通道測試）、性能穩定、響應時間快、便于攜帶、操作方便等特點，為車載感知節點對粉塵含量的監測提供了有力保障。

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，根據法拉第定理，其反應產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，從而確定環境中二氧化硫氣體的濃度。

2.3 溫濕度傳感器

    系統采用DHT11數字溫濕度傳感器獲取環境的溫度及濕度。它由一個感濕元件和一個NTC測溫元件構成，是含有一個校準輸出的溫濕度復合數字信號傳感器。其體積小、性能高、成本小、功耗低，環境適應性廣泛，信號的傳輸距離可達20 m，極大地保障了感知節點對環境溫濕度采集的可靠性和穩定性。

2.4 數據通信模塊設計

    與以往GPS模塊和GPRS模塊分開的定位系統相比，系統采用SIM公司推出的3G/HSDPA模塊SIM5320^[6]。SIM5320內嵌GPS和A-GPS，提高了系統的可靠性。該模塊為SMT封裝，尺寸小、厚度薄，從而縮小了PCB設計的尺寸。STM32F103單片機通過串口通信與SIM5320模塊進行數據傳輸，使用標準的AT命令控制GSM模塊實現各種無線通信功能。圖3為無線定位及通信模塊的結構框圖。

3 系統軟件設計

3.1 感知節點軟件設計

    為充分提高系統的運行效率，節點選用適用于嵌入式系統的搶占式實時多任務操作系統μC/OS-Ⅱ作為底層的操作系統。環境感知節點在μC/OS-Ⅱ的基礎上實現應用程序的開發，完成空氣質量信息的采集與發送，并通過μC/GUI實現LCD的本地顯示功能。系統首先完成模數轉換、定時器等硬件模塊的初始化；接下來進行μC/OS-Ⅱ協議棧的配置，執行處理器件和外設硬件的初始化；然后開啟采集GPS定位數據和各環境空氣質量參數并向服務器發送數據的任務。具體工作流程如圖4所示。感知節點監測環境參數采用定時喚醒的工作模式，一般處于休眠狀態，由定時器觸發采集事件，從而降低感知節點的功耗。

3.2 數據服務中心軟件設計

    數據服務器獲取感知節點采集的環境數據及位置信息，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據與服務的網絡應用與服務組件。系統在服務器本地及遠程PC監控終端通過網絡協議和規定的標準數據訪問Web服務，從而使得Web服務在內部執行得到應用程序所需結果，完成與數據服務器的數據交互。Web服務具有良好的跨平臺性、跨網絡性、跨系統性和高度可集成性，為本系統的可擴展和可集成提供有力保障。

    數據采集服務采用通用的網絡傳輸協議TCP/UDP與感知節點進行數據通信，對多通道的數據采集按需要通過數據集成與處理服務進行數據集成，各服務間以數據庫作為數據共享的基礎。數據服務中心將感知節點數據進行匯聚并通過數據采集服務對數據進行分析和存儲。數據查詢、數據網絡傳輸、數據集成與處理各部分功能采用Web Service技術，構成一個數據采集與服務平臺，提供移動終端訪問的接口。

3.3 監控終端軟件設計

    監控終端云圖平臺軟件在.NET平臺基礎上利用ArcGIS Engine進行二次開發，ArcGIS Engine是美國ESRI公司的一套軟件開發引擎，是為開發嵌入式地理信息系統(Geographic Information System，GIS)和桌面端地理信息系統應用程序而推出的二次開發組件庫^[8]。監控終端軟件通過Ado.NET與服務器MS SQL Server數據庫進行交互，從而獲取環境感知節點采集到的海量歷史數據，包括節點編號、經緯度信息、時間、各環境質量參數等信息。同時，監控終端能夠獲取到節點的實時最新數據，以經緯度作為坐標顯示節點定位，實現對車輛位置及對空氣環境參數的實時監控。

    監控終端軟件在ArcGIS Engine接口下實現對區域地圖的加載，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。克里金空間插值算法，又稱空間局部插值法，利用感知節點所采集的相關地理范圍內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，從而實現對感知節點未采樣點的環境質量參數進行線性、無偏、最優化的估計。

4 系統效果

    基于車載GPS終端的城市空氣質量云圖平臺系統研發完成后于2015年8月在徐州市云龍區進行測試運行。圖5所示為車載GPS感知節點，節點搭載在車輛頂部并由車內供電。通過對其傳輸數據的監控和記錄，感知節點在采集空氣質量數據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監控終端軟件實時顯示、數據處理、云圖繪制性能良好。圖6所示為PC監測終端軟件徐州云龍區各空氣質量指標的云圖效果。整個系統運行能夠滿足設計要求，系統可靠性高，可以實現對空氣質量的實時、準確的監測。

5 結論

    本文設計并研發了一套基于車載GPS終端的城市空氣質量云圖平臺系統，實現了對城市空氣質量的實時監測。利用車載環境感知終端的監測方式化靜為動，連線成面，將可監測區域范圍盡可能地精確至街道、小區，從而更加高效率地更新空氣環境狀況；利用廣泛應用、覆蓋范圍廣的3G網絡傳輸數據，從而使數據得以有效、穩定的傳輸；節點采用周期性喚醒的監測運行機制，降低了節點的功耗；利用GPS、GPRS二合一的無線模塊，提高了系統的統一性并極大地縮小了感知節點的尺寸。下一步將研究如何利用數據挖掘技術將海量的城市空氣質量數據進行分析和預測，發現城市區域與空氣質量之間的潛在關系，進而定位污染源，推送給用戶或城市衛生管理人員，從而為城市空氣質量的治理提供有效的方法。

參考文獻

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