0 引言

    随着我国工业化进程的飞速发展，国民经济蒸蒸日上，但与此同时环境问题却日益严峻。有关资料显示，我国33个城市出现了严重的雾霾天气，对人们的身体健康和出行安全造成了严重威胁^[1]。然而当前应用的空气质量监测系统^[2]大都存在的监测范围局限、精度低、实时性差等问题，空气质量的监测治理已经到了间不容发的地步，空气质量问题亟待解决。

    与目前传统的空气质量监测模式^[3]相比，本文通过车载GPS终端化静为动，利用城市公交数量庞大、覆盖范围广的特点，连线成面，将可监测区域范围尽可能地精确至街道、小区。同时在车辆流动性的影响下，不同车辆监测同一个地区的空气环境，可以消除偶然因素的影响，从而更加高效率地更新空气环境状况。

    随着GPS定位技术、无线通信技术、微处理器技术和传感器技术的发展，以及片上系统的出现，为解决车载空气质量的监测问题提供了单芯片解决方案。本文结合传感器技术、通用分组无线技术(General Packet Radio Service，GPRS)、GPS定位技术^[4-5]、软件设计技术以及ArcGIS Engine开发技术，设计了能够实时获取车载环境感知节点的各参数信息，并转发到服务器，然后通过监测终端对数据进行查询、监测及空气质量分布云图绘制的系统。

1 系统总体设计

    系统主要由车载环境感知节点、数据服务中心、监测终端和移动客户端构成，图1所示为系统的整体架构。环境感知节点采集实时的PM2.5、PM10、SO2浓度、温度、湿度等空气质量信息及GPS定位信息，同时对采集的数据进行筛选、去噪等预处理，然后通过GPRS网络以UDP协议传输的方式将数据传送至服务器。服务器端对数据进行分析、处理和存储，并提供手持客户终端访问的接口。监控终端软件通过访问服务器数据库获取数据源，利用ArcGIS Engine实现节点定位、实时监控、历史查询及绘制空气质量时空分布云图等功能。

2 系统硬件设计

    车载环境感知节点终端由电源驱动电路、主处理器模块、SIM5320（GPS定位与GPRS通信二合一）模块、各前端传感器、传感器驱动模块、LCD模块等构成，其硬件结构框图如图2所示。感知节点采用STM32F103作为主处理芯片，控制定时接收传感器采集的信号，通过调理电路和传感器驱动模块获取到可使用的数字信号并同时获取GPS卫星定位数据，STM32通过GPRS网络将数据传输到远程数据服务器。感知节点同时可以响应按键事件，并将环境监测数据实时地在本地显示。

2.1 PM2.5传感器模块

    系统采用的G3攀藤粉尘传感器使用微型低功率风扇代替气泵产生所需的粒子流通过感应区，避免了需要定期更换常规气泵保护过滤器。具有测试精度高（可细分16通道测试）、性能稳定、响应时间快、便于携带、操作方便等特点，为车载感知节点对粉尘含量的监测提供了有力保障。

2.2 二氧化硫气体传感器模块

    在二氧化碳浓度测量方面，系统采用的是ME3-SO2传感器模块。该模块在电解槽中使用二氧化硫电化学氧化过程的工作电极电位，根据法拉第定理，其反应产生的感应电流正比于二氧化硫的浓度。通过测量其电流大小，从而确定环境中二氧化硫气体的浓度。

2.3 温湿度传感器

    系统采用DHT11数字温湿度传感器获取环境的温度及湿度。它由一个感湿元件和一个NTC测温元件构成，是含有一个校准输出的温湿度复合数字信号传感器。其体积小、性能高、成本小、功耗低，环境适应性广泛，信号的传输距离可达20 m，极大地保障了感知节点对环境温湿度采集的可靠性和稳定性。

2.4 数据通信模块设计

    与以往GPS模块和GPRS模块分开的定位系统相比，系统采用SIM公司推出的3G/HSDPA模块SIM5320^[6]。SIM5320内嵌GPS和A-GPS，提高了系统的可靠性。该模块为SMT封装，尺寸小、厚度薄，从而缩小了PCB设计的尺寸。STM32F103单片机通过串口通信与SIM5320模块进行数据传输，使用标准的AT命令控制GSM模块实现各种无线通信功能。图3为无线定位及通信模块的结构框图。

3 系统软件设计

3.1 感知节点软件设计

    为充分提高系统的运行效率，节点选用适用于嵌入式系统的抢占式实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ作为底层的操作系统。环境感知节点在μC/OS-Ⅱ的基础上实现应用程序的开发，完成空气质量信息的采集与发送，并通过μC/GUI实现LCD的本地显示功能。系统首先完成模数转换、定时器等硬件模块的初始化；接下来进行μC/OS-Ⅱ协议栈的配置，执行处理器件和外设硬件的初始化；然后开启采集GPS定位数据和各环境空气质量参数并向服务器发送数据的任务。具体工作流程如图4所示。感知节点监测环境参数采用定时唤醒的工作模式，一般处于休眠状态，由定时器触发采集事件，从而降低感知节点的功耗。

3.2 数据服务中心软件设计

    数据服务器获取感知节点采集的环境数据及位置信息，对其进行分析、存储等处理，并通过Web Service的形式提供PC监控端访问的接口。

    Web服务^[7]是一种逻辑性地为其他应用程序提供数据与服务的网络应用与服务组件。系统在服务器本地及远程PC监控终端通过网络协议和规定的标准数据访问Web服务，从而使得Web服务在内部执行得到应用程序所需结果，完成与数据服务器的数据交互。Web服务具有良好的跨平台性、跨网络性、跨系统性和高度可集成性，为本系统的可扩展和可集成提供有力保障。

    数据采集服务采用通用的网络传输协议TCP/UDP与感知节点进行数据通信，对多通道的数据采集按需要通过数据集成与处理服务进行数据集成，各服务间以数据库作为数据共享的基础。数据服务中心将感知节点数据进行汇聚并通过数据采集服务对数据进行分析和存储。数据查询、数据网络传输、数据集成与处理各部分功能采用Web Service技术，构成一个数据采集与服务平台，提供移动终端访问的接口。

3.3 监控终端软件设计

    监控终端云图平台软件在.NET平台基础上利用ArcGIS Engine进行二次开发，ArcGIS Engine是美国ESRI公司的一套软件开发引擎，是为开发嵌入式地理信息系统(Geographic Information System，GIS)和桌面端地理信息系统应用程序而推出的二次开发组件库^[8]。监控终端软件通过Ado.NET与服务器MS SQL Server数据库进行交互，从而获取环境感知节点采集到的海量历史数据，包括节点编号、经纬度信息、时间、各环境质量参数等信息。同时，监控终端能够获取到节点的实时最新数据，以经纬度作为坐标显示节点定位，实现对车辆位置及对空气环境参数的实时监控。

    监控终端软件在ArcGIS Engine接口下实现对区域地图的加载，地理位置的标识，高程值的标识以及用克里金空间插值算法进行等高线的绘制等功能。克里金空间插值算法，又称空间局部插值法，利用感知节点所采集的相关地理范围内的采样点进行估计待插点，相比于其他插值算法估算误差的方差最小，从而实现对感知节点未采样点的环境质量参数进行线性、无偏、最优化的估计。

4 系统效果

    基于车载GPS终端的城市空气质量云图平台系统研发完成后于2015年8月在徐州市云龙区进行测试运行。图5所示为车载GPS感知节点，节点搭载在车辆顶部并由车内供电。通过对其传输数据的监控和记录，感知节点在采集空气质量数据和定位信息方面准确度良好，UDP收包率较高，符合实际应用的需求。PC监控终端软件实时显示、数据处理、云图绘制性能良好。图6所示为PC监测终端软件徐州云龙区各空气质量指标的云图效果。整个系统运行能够满足设计要求，系统可靠性高，可以实现对空气质量的实时、准确的监测。

5 结论

    本文设计并研发了一套基于车载GPS终端的城市空气质量云图平台系统，实现了对城市空气质量的实时监测。利用车载环境感知终端的监测方式化静为动，连线成面，将可监测区域范围尽可能地精确至街道、小区，从而更加高效率地更新空气环境状况；利用广泛应用、覆盖范围广的3G网络传输数据，从而使数据得以有效、稳定的传输；节点采用周期性唤醒的监测运行机制，降低了节点的功耗；利用GPS、GPRS二合一的无线模块，提高了系统的统一性并极大地缩小了感知节点的尺寸。下一步将研究如何利用数据挖掘技术将海量的城市空气质量数据进行分析和预测，发现城市区域与空气质量之间的潜在关系，进而定位污染源，推送给用户或城市卫生管理人员，从而为城市空气质量的治理提供有效的方法。

参考文献

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