基于智慧灯杆的智慧感知子系统

张 培，张 伟，吴 刚

（重庆光电信息研究院有限公司，重庆401120）

环境监测是一项涉及内容较广且十分复杂的工作，易受到设备和监测技术等因素影响，实际工作开展中困难重重，需要连续性地长期监测，才能从监测数据中揭示环境污染问题，预测其变化趋势，保证监测结果的准确性。以往环境监测工作中应用的技术更多是针对山川、湖泊、江河进行分析，对于突然出现的问题，无法及时有效地进行判断和分析。将智慧灯杆物联网技术应用在环境监测中，可为环境监测提供全面、准确的信息数据，整理和分析这些数据信息，能及时有效地发现其中存在的问题，做好预防和控制工作，确保环境保护工作真正落到实处，提升环境监测质量和监测效率。

根据中国对环境监测工作的本质要求，进一步提升环境监测 （包括但不限于空气监测）能力，根据相关政策和规范，不断拓宽监测范围。由于经济的快速发展，环境污染来源也在不断增加，在制定相关环境监控政策同时，还应对不同污染物协调监控，以此来提高物联网监控的有效性，实现数据信息的共享。诸如，通过对PM2.5指标检测确定污染来源，从而制定有效的监控策略，结合实际情况，健全和完善监测机制，从而实现系统性监测，提升环境监测工作质量和效率。

为提高环境监测效果，提升环境监测工作有效性，需要建立统一的信息环境感知平台，使环境监测数据和信息得到共享，从而有效加强城市管理水平，提升环境监测质量。集成统一环境感知平台可以实现数据和信息的自动审核、分析和存储，深入分析数据信息，确保监测工作的可靠性、及时性和准确性。

1 需求

1.1 功能需求

1）感知设备的管理功能

管理智慧感知设备资产信息和具体分布的地理位置信息。

2）感知设备远程控制功能

通过智慧感知子系统控制感知设备的数据采集和状态等。

3）智慧感知数据的监测功能

收集智慧感知子系统采集的数据，并对数据进行存储分析，实现感知数据的监测功能。

1.2 非功能需求

本地感知的响应时间不大于20 ms。

2 设计方案

2.1 系统功能逻辑图

系统主要由监控中心、集中控制器、传感器管理、通信网络和软件平台5部分构成，可根据每个城市的具体规模和需求情况调整，组成适合该城市的个性化管理系统。智慧感知子系统功能主要包括感知设备管理、设备远程控制功能和监测感知数据功能 （见图1）。

图1 系统功能逻辑图

2.2 系统设计

以嵌入式微控制器为核心，设计开发智慧灯杆物联网智能感知嵌入式系统模块，通过输入通道或串行通信，与温度、湿度、风速、风向、PM10、PM2.5等传感器连接，实时采集环境温度、湿度、风速、风向、空气中可吸入颗粒物浓度 （PM10）和细颗粒物浓度 （PM2.5）等参数。通过串行通信，将各检测参数传送到智慧灯杆的控制器，以便智慧灯杆的检测数据就地汇聚 （见图2）。

2.3 硬件设计

硬件设计包括电源模块、微控制器模块、通信模块、传感器接口模块设计，其设计工作如图3所示。其中，电源模块不仅要给微控制器模块供电，还要为各传感器供电，各部分对电源电压的要求不一样，因此，电源部分可独立成单独的电路板。微控制器模块、通信模块、传感器接口模块可集成在一块电路板上。

图2 系统示意图

图3 硬件设计框图

2.4 嵌入式软件开发

嵌入式软件开发包括微控制器应用、数据采集和串行通信3部分，其构成如图4所示。程序开发中优先采用基于固件库的开发方式，通信协议优先考虑Modbus串行通信。

图4 软件结构框图

3 开发实现

通过研发智慧感知应用系统，实现了环境感知功能，研发了2个嵌入式软件，本地感知的响应时间不大于20 ms，系统运行界面如图5所示。

图5 智慧感知应用系统运行界面

4 结论

基于智慧灯杆的物联网智能感知子系统是新一代的环境监测系统，拥有广阔的发展空间和应用空间。结合项目的实际需要，分析并设计了智慧灯杆物联网智能感知子系统。经测试和示范应用，圆满地完成了预设任务，实现了信息的完整连接。实现功能的范围比较广泛，从采集数据、处理数据到反馈数据均有涉及。该系统已在市场上取得了一些示范应用效果，但只对物联网下智慧感知技术进行了初步的研究和实现，想要设计更具亲和力及广泛性的智慧感知系统，还需开发多模块的扩展功能，进行更深入的研究工作。