基于物联网的汽车尾气动态监测系统研究

涂德凤，王恩亮，张 帆，徐慧芳

（安徽新华学院 电子通信工程学院，安徽 合肥 230088）

基于物联网的汽车尾气动态监测系统研究

涂德凤，王恩亮，张 帆，徐慧芳

（安徽新华学院 电子通信工程学院，安徽 合肥 230088）

本文应用WSN技术、嵌入式技术，以及物联网技术研发一个汽车尾气在线动态监测系统，该系统可对行驶中的动态车辆实时监控其排放尾气数据，并可以实现指定路段的尾气排放统计，进而为污染超标车辆的管理及污染严重路段治理提供数据分析服务.

物联网；尾气；动态监测

1 引言

汽车尾气污染问题已经成为城市空气污染最重要的来源，实现对汽车排放污染进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的任务.针对传统的汽车尾气检测系统无法实时有效的监管汽车尾气的排放问题，本文提出了基于物联网的机动车尾气在线动态监测方案.本系统通过近程无线网络通信模块、GPRS无线通信模块、传感器、以太网接口、RS232接口等构成一套利用车载自组网技术的系统.安装车载尾气检测传感器节点在车辆行驶时不但自身能够将尾气数据传送给近距离的汇聚节点，由汇聚节点通过移动通信网络发送到后台监控中心；而且能够充当其他安装了同类型车载尾气采集点车辆的中继，将行驶或静止的近距离车辆的尾气数据发送给汇聚节点，再由汇聚节点转发给后台监控中心.

2 系统总体架构

系统只要包括车载尾气监测节点和汇聚网关节点组成.车载尾气监测节点利用传感器采集汽车尾气参数，采用CC2530结合CC2591作为控制核心，实现汽车尾气采集终端的数据采集处理以及终端的Zigbee无线自动组网.协调器网关节点是采用ARM芯片作为控制核心结合GPRS无线通信模块、以太网接口模块与数据采集终端自组的Zigbee网络与以太网，因特网实现数据通信，将ZigBee采集节点的信息传输到网络服务器/云服务器/手机服务器，开发后台软件对尾气数据进行可视化记录、监控和分析.系统总体架构如图1所示.

图1 系统总体架构

3 网络节点设计

3.1 数据采集终端节点设计

汽车尾气中含有 CO、CO2、HC 化合物、NOx、SO2、微粒物质等污染物，根据汽车尾气的气体成分，分析其特性，选用适合的监测传感器.本系统需检测CO、CO2、HC化合物、O2和NOx五种尾气浓度.CO、CO2、HC化合物用红外传感器检测，O2用氧传感器检测，NOx用氮氧传感器检测.根据设计要求，节点硬件结构框图如图2所示.系统通过传感器前端采集电路将采集到的尾气浓度信息发送给CC2530控制芯片并转换成数据帧通过无线射频发送器发送给数据处理中心.节点采用电池供电，CC2530的MCU采用定时唤醒工作方式，系统平时处于休眠状态，可以降低尾气传感器发射模块的功耗，操作以中断服务程序形式实现.核心芯片CC2530结合其基本外围电路包括晶振、A/D基准电压、存储器、传感器及调试接口等，加上电源模块以及射频前端芯片CC2591，构成了尾气数据采集节点硬件系统.

车载尾气监测节点，数据传输采用无线方式，系统设计中如何有效的提高发射功率、接收灵敏度、通信距离等性能很重要.为了提高通信性能，系统设计中采用CC2530联合CC2591发送方式，对硬件电路设计参数要求很高.与其他射频前端相比，采用TI推荐的CC2591芯片作为CC2530收发前端，增益更高，可无线传输距离更远.同时编程更简单，技术支持更完备，并可无缝实现ZStack休眠低功耗等功能.

图2 数据采集终端节点结构

3.2 协调器网关节点设计

车载尾气动态监测节点完成数据的实时采集、传输，监测节点组织成Zigbee网络，为了使数据传输至监控中心，必须开发网关节点，与以太网或移动通信网络对接，监控人员可以登陆服务器获取数据.

协调器网关节点主要负责对数据的分析与处理，同时还可以起到远程报警的作用，结构图如图3所示.车载数据采集终端和协调器网关节点具有相同的ZigBee模块，方便ZigBee网络的建立及数据的传输，ZigBee芯片与网关通过串口连接传输数据.网关处理模块核心控制器采用ARM11内核芯片S3C6410，采用WinCE6.0实时操作系统.可实现车载尾气节点的数据收集，不但可以通过预留触摸屏模块本地显示，还可以将数据通过GPRS模块无线上传到移动网络.设计中充分考虑硬件的可扩展性，预留了本地触摸屏模块接口、报警电路、wifi模块接口、以太网接口，可以根据需要很容易接入.

GPRS模块系统采用SIMCOM公司的一款高性能工业级GSM/GPRS芯片ATK-SIM900A.ATK-SIM900A芯片的工作频段在900/1800M赫兹，可以低功耗实现语音、短信、数据信息的传输.另外该芯片还支持标准的RS232串口和LVTTL串口，并带硬件流控制，工作电压在5伏到24伏的超宽工作范围，可以很方便地进行连接.车载尾气监测数据通过协调器网关节点接收，并将数据通过GPRS上传至服务器，监测中心人员可登陆电脑或手机进行监控.

图3 协调器网关节点结构

4 软件管理平台

软件管理平台涉及数据采集、通信和界面显示.数据采集在汽车尾气检测区域内，短距离内的通信采用基于CC2530结合CC2591实现Zigbee的通信协议，车载尾气监测节点以及网关节点通过ZigBee协议栈实现节点的组网，ZigBee是一种低成本、低速率、低功耗、网络容量大、布设简单的短距离无线网络通信技术.在此需要完成嵌入式软件开发，通信协议开发、控制程序开发等.而涉及远程通信部分，则用基于socket的通信编程和TCP/IP协议.图形界面显示则在VS2010下开发WPF界面或者MFC界面.从协调器网关节点获取各个尾气监测节点的传感数据，通过处理分析得到监测区域中汽车排放尾气浓度值，以数值形式显示在软件界面上，并且还能够得到各个汽车尾气探测节点的通信路由信息，在软件相应区域中绘制出对应的通信路径，方便实验观察；同时软件将多个汽车尾气参数进行融合处理来判断汽车污染是否超标，当有尾气排放超过标准，软件将记录尾气超标车辆，发出警报.

5 结束语

机动车尾气动态监测系统通过先进的物联网技术将机动车尾气检测设备、未来新增加的检测设备设计安装在行驶或静止的车辆上，实施联网，相对于现有的尾气监测方案，可以实时动态监测汽车尾气排放状态.系统提供稳定可靠的计算机硬件、网络、存储等基础平台，用来搭建整个机动车尾气排放监管系统的底层支撑平台，为机动车尾气监管系统提供稳定的计算能力和存储资源，完成管理、控制、数据采集、分析决策等工作.

〔1〕荀启峰.基ZigBee的车载尾气实时监测系统设计[J].软件工程师,2014(10):17-19.

〔2〕马英.基于车联网的3G远程车载尾气监测系统的设计与实现[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版)，2014(06).

〔3〕蒋运超,陈瑾,翟从鸿,周妍.基于无线传输的道路机动车尾气监测系统研制[J].电子技术与软件工程，2015(10).

〔4〕陈阳.基于ZigBee的汽车尾气检测系统研究与设计[D].安徽农业大学,2012.

X51；TP27

A

1673-260X（2017）12-0030-02

2017-09-24

中国博士后科学基金特别资助项目 （2014T70967）；2017年度安徽省高等学校自然科学研究重点项目（KJ2017A630）；安徽新华学院校级重点科研项目（2016td018）；安徽省大学生创客实验室项目（2016ckjh095）