基于物联网技术的城市交通污染监测系统

吕东方，张正华，李忍忍

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127)

基于物联网技术的城市交通污染监测系统

吕东方，张正华，李忍忍

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127)

为了改善城市空气质量，加强城市交通污染监测，设计了一种基于物联网技术的城市交通污染监测系统，实现对城市交通污染状况的远程实时监测。大量传感节点部署于城市各大交通干道，采集各种交通污染信息，由ZigBee无线网络发送给智能网关，经网关处理后通过3G网络发送给远端监控中心，实现城市交通污染信息的采集、处理及发布系统。该系统组网灵活，覆盖范围广，移植能力强。测试结果表明，该系统实现了交通污染数据的远程实时监测，且运行准确、可靠。

物联网；城市交通污染；ZigBee；3G

0 引言

近年来随着机动车辆的数量迅速增长，城市交通污染问题日益突出，对居民健康造成严重威胁[1]。2016年1月，中国国家环保部发布了《2015年中国机动车污染防治年报》，指出2014年全国机动车数量已达24 577.2万辆，较1980年数字增加了33倍，尾气排放已成为我国空气污染的重要来源[2]。城市交通的发展在推动了城市化进程的同时也带来了严重的城市大气污染问题[3]。加强城市交通污染环境监测，是改善城市环境空气质量的重要前提[4]。

随着物联网技术的迅速发展，智慧城市的建设迎来宝贵机遇[5]，特别是在智能交通领域的应用[6]，带来新的融合与发展[7]。物联网技术为城市交通污染监测提供了有利的工具[8]。传统采集方法采用瞬时采样法，现场采集样本，将样品带回实验室仪器分析的方法监测。这种监测方法监测效率低、耗时长、代表性差、设备投资大，不能反应交通污染数据的实时变化情况，不能实时在线监测。本文基于ZigBee无线传感器网络、嵌入式技术和3G网络技术的监测系统，实现远程实时监测城市交通污染信息，与传统的空气质量监测系统相比，具有采集数据量大、精确度高、部署方便、无需布线和监测查询灵活等优点[9]。

1 监测系统的总体结构

城市交通污染监测系统主要包括3部分：系统前端由交通污染监测采集模块和ZigBee无线收发模块实现交通污染数据的采集和无线发送；系统中端由ARM智能网关接收系统前端采集的数据并进一步处理；系统后端由3G无线通信模块及服务器系统构成。监测系统总体结构如图1所示。

图1 监测系统的总体结构

大量的监测传感器模块部署于城市各大交通干道，负责感知不同路段的各种交通污染信息，包括PM2.5、PM10和一氧化碳浓度等；采集后的数据由ZigBee无线网络发送给嵌入式ARM智能网关；智能网关对这些数据进行初步综合处理后，通过3G网络发送给远端监控中心；监测中心通对收集到的数据进行处理分析，发布相关污染信息，并对城市交通资源合理配置决策提供依据。

2 系统硬件设计

2.1 监测采集节点硬件设计

交通污染监测采集模块主要由传感器单元、微控制器处理单元和ZigBee无线通信3 个基本单元组成，如图2所示。

图2 交通污染监测采集模块结构

传感器单元由传感器和A/D电路模块组成，其作用是感知和获取交通污染物参数，然后将它转换成数字信号。传感器选择SDS011激光PM2.5传感器和MQ-7一氧化碳传感器。SDS011传感器采用激光散射原理[10]，能够得到空气中0.3～10 μm悬浮颗粒物浓度，具有数据稳定可靠、数字化输出和集成度高等特点。MQ-7一氧化碳传感器采用半导体气敏元件，对一氧化碳的灵敏度较高，而且长寿命、低成本，驱动电路简单，广泛应用于商业、工业环境的一氧化碳探测装置。

微控制器处理单元主要负责传感器数据的采集、存储和传输。微控制器采用广泛使用的STC12C5A60S2芯片，由全球最大的8051单片机生产商STC生产，是一款高性能、低功耗、抗干扰且价格低廉的单片机芯片。

2.2 ZigBee通信模块设计

ZigBee通信模块由多个ZigBee终端采集节点和一个ZigBee中心节点组成ZigBee无线传感器网络。分散的终端节点将采集的交通污染参数，通过无线传感网络，发给中心节点并由嵌入式网关对采集的数据进一步处理。

ZigBee通信模块采用美国德州仪器(TI)的CC2530芯片，CC2530芯片结合了高性能低功耗的微控制器和高性能的射频收发器，具有很好的抗干扰性和优良的无线接收灵敏度[11]。

2.3 网关模块硬件设计

基于嵌入式技术的ARM智能网关结构框图如图3所示。因为ARM微处理器具有高性能、低功耗、成本低和体积小等诸多优点[12]，智能网关主控芯片采用三星生产的基于ARM11的处理器S3C6410，该芯片具有高性能、低功耗和高性价比等特点，广泛应用于移动或手持终端设备。3G模块采用华为EM770W 3G WCDMA模块，EM770W 接口为mini PCIE，该接口具有52个引脚。

图3 ARM智能网关模块硬件结构

3 系统软件设计

3.1 监测采集模块程序设计

系统前端监测采集模块主要实现2个功能：① 读取传感器获得交通污染物参数；② 通过ZigBee无线传感器网络发给网关。程序流程图如图4所示。

ZigBee模块的程序采用德州仪器公司发布的Z-Stack协议栈来开发的，该协议栈可以从网上免费下载使用。通过使用德州仪器提供的协议栈模板，可以轻松创建ZigBee终端节点和中心节点程序，要实现所需要的功能只需要通过修改APP 程序。ZigBee终端监测采集节点可以自动请求加入网络，首先节点上电初始化，然后中心节点发送入网请求，当收到ZigBee中心节点的入网响应时，通过zb_BindDevice()函数发出绑定请求。当中心节点响应后，即可完成绑定操作。ZigBee监测采集节点开始读取前端采集的交通污染数据，然后将数据发送给中心节点。

图4 监测采集模块程序流程

3.2 网关应用程序设计

嵌入式网关部分是系统的重要部分，接收系统前端采集的交通污染数据，并将数据发送给系统后端的监测中心。嵌入式网关应用程序流程图如图5所示。

图5 网关主程序流程

网关主程序首先打开串口，读取串口数据，即可得到ZigBee接收的交通污染数据，然后再通过网关的3G模块将数据发送到监测中心的服务器。在嵌入式Linux系统下，设备相当于文件，通过读写改文件，实现对串口的操作。网关主程序收到打开串口，并初始化串口，如果成功打开串口，会返回fd作为文件标识符，通过对fd操作即可对串口进行读写操作[12]。嵌入式网关在收到前端采集的数据后，先对数据进一步处理，然后通过UDP通信程序，连接到监测中心的服务器，并发送数据。

3.3 3G模块程序设计

3G模块是系统的重要组成部分,主要完成智能网关和远端监控中心的信息交互。3G模块与ARM是通过PCIE接口相连，为完成3G模块的拨号上网功能，需要内核、驱动和应用程序层面等3个层面的支持。内核和驱动层面主要是通过对驱动修改并重新配置内核置来完成。对于拨号上网应用程序的支持，采用 TCP 协议栈，使用 Socket 编程思想实现 3G 网络中的传输。3G通信客户端主要负责向服务器请求、发送数据和应答数据等工作。首先，客户端先通过Socket()函数创建一个数据报套接字，接着绑定端口号。绑定成功后后，客户端使用sendto()函数向监测中心的服务器端发送UDP数据报[13]，并等待服务器端的回应。3G通信客户端程序设计流程图如图6所示。

图6 3G通信客户端程序流程

4 系统测试结果

为了测试系统的正确性和稳定性，选取某路口对系统进行简单测试。在主干道交叉路口放置3个监测采集节点，并配备固定的ID号，负责采集该路口的交通污染数据。在采集节点不远处放置一个嵌入式ARM网关，用来接收前端采集的数据并通过3G网络发给监测中心。在监测工作站内，通过PC服务器监测软件远程查看传输来的路口实时交通污染信息。

在某一时段的实际测量结果如图7所示。通过对比现场实际浓度，系统采集到的数据基本准确，并实现了远程实时在线监测交通污染信息。与传统的交通污染数据采集相比，系统具有采集数据量大、实时性强、部署方便、监测查询灵活等优点。

图7 系统测试交通污染浓度趋势

5 结束语

近年来随着城市空气质量不断恶化，改善城市环境空气质量、加强城市交通污染监测刻不容缓。本文设计了一种基于物联网技术的城市交通污染监测系统，实现远程实时监测城市交通污染信息，具有采集数据量大、精确度高、部署方便、无需布线和监测查询灵活等优点。系统组网灵活、覆盖范围广，而且系统移植能力强，稍做修改就可以应用于其他监测领域。

[1] 胡灿伟.机动车已成空气污染主力[J].生态经济,2016,32(4):10-13.

[2] 环境保护部.2015年中国机动车污染防治年报[R].北京:环境保护部,2016:1-5.

[3] 刘泽萍.浅议城市机动车尾气排放问题[J].天津科技,2011,38(1):52-53.

[4] 芦育红.浅谈交通业的发展与环境保护的关系[J].城市建设理论研究,2011(21):35-37.

[5] 曹鹤婷.物联网与下一代智慧城市[J].移动通信,2015,39(21):29-31.

[6] 李 野,王晶波,董利波,等.物联网在智能交通中的应用研究[J].移动通信,2010,34(15):30-34.

[7] 岳建明,林玳玳.我国智能交通产业与物联网技术的融合与发展分析[J].生产力研究,2012,(5):166-167.

[8] HOANG D H,STRUFE T.Processing and visualizing Traffic Pollution Data in Hanoi City from a Wireless Sensor Network[C]∥Local Computer Networks Workshops (LCN Workshops),IEEE 38th Conference on,Sydney,2013:44-55.

[9] 吕东方,张正华,刘 平,等.智能交通多接口智能终端研究与实现[J].无线电工程,2015,45(8):87-90.

[10] 王雪瑞,周 岩.分布式空气质量远程集中监测管理系统设计[J].计算机测量与控制,2015,23(7):2 314-2 317.

[11] Texas Instrument.CC2530 User’s Guide[M].Dallas:Texas Instrument Corporation,2009:16-19.

[12] 周立功.ARM嵌入式系统软件开发实例[M].北京：北京航天航空大学出版社,2005:479-481.

[13] 苑晓芳,刘志广.Linux下基于TCP传输组件的实现[J].无线电通信技术,2014,40(4):46-49.

吕东方 男，(1991—)，硕士研究生。主要研究方向：嵌入式系统。

张正华 男，(1965—)，硕士，副教授。主要研究方向：实时信号处理。

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

吕东方,张正华,李忍忍.基于物联网技术的城市交通污染监测系统[J].无线电工程,2017,47(1):7-9，15.

2016-10-23

江苏省普通高校研究生科研创新计划基金资助项目(SJZZ15-0178)。

TN919

A

1003-3106(2017)01-0007-03