基于數(shù)字信息技術(shù)的智能環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)開發(fā)

孫來等

摘 要：隨著生活水平提高，環(huán)境衛(wèi)生已是被廣泛關(guān)注的問題，由于目前環(huán)衛(wèi)監(jiān)管技術(shù)手段的不完善，違規(guī)傾倒、倒買倒賣現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)周邊居民生活、環(huán)境帶來了極大損害。文章提出了一種RFID（無線射頻動(dòng)態(tài)存取技術(shù)）、GPS（全球定位技術(shù)）、GPRS（移動(dòng)通訊技術(shù)）、GIS（地理信息技術(shù)）等多項(xiàng)數(shù)字信息技術(shù)于一體，對(duì)環(huán)衛(wèi)車輛統(tǒng)一管理的信息化系統(tǒng)平臺(tái)。從功能上，設(shè)計(jì)了在途車載終端和車輛監(jiān)控平臺(tái)兩個(gè)子系統(tǒng)。其中，在途車載終端完成車載貨物重量信息、定位信息、電子標(biāo)簽信息的數(shù)據(jù)采集，通過GPRS無線上傳至服務(wù)器平臺(tái)。監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)時(shí)觀測(cè)車輛的作業(yè)位置、行駛路線、有無違章行為，并進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)，生成收集垃圾的數(shù)據(jù)報(bào)表，作為分析和考評(píng)的依據(jù)。該系統(tǒng)平臺(tái)經(jīng)實(shí)際使用，能達(dá)到預(yù)期效果，車載系統(tǒng)符合國(guó)家安全管理規(guī)定，在環(huán)衛(wèi)行業(yè)監(jiān)管工作中，具有很高實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：無線射頻識(shí)別；車載稱重；GPS定位；GPRS通訊；地理信息系統(tǒng)

目前，環(huán)衛(wèi)車輛監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛定位的監(jiān)控，但不能進(jìn)行對(duì)車載貨物重量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在車載終端數(shù)據(jù)上傳方式上，采用的通信方案依次有無線電臺(tái)、集群通信網(wǎng)和GSM短信息服務(wù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際使用的情況來看，無論是無線電臺(tái)、集群通信網(wǎng)還是GSM短信息，效果都不理想。集群通信網(wǎng)有優(yōu)先等級(jí)，調(diào)度功能強(qiáng)，加密性能好，但同時(shí)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益差，通信成本高，可靠性差。GSM網(wǎng)具有了漫游和越區(qū)切換功能，在廣域車輛監(jiān)控系統(tǒng)中占有很大優(yōu)勢(shì)。但實(shí)際上GSM短信息服務(wù)還是不能滿足GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆Ｎ恼峦ㄟ^GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包通過無線透?jìng)髦凛d有GIS地理信息的服務(wù)器平臺(tái)，節(jié)省數(shù)據(jù)上傳的費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成上傳。

1 系統(tǒng)的原理和功能

RFID射頻讀卡器掃描生活垃圾桶的標(biāo)簽ID，進(jìn)行無線射頻動(dòng)態(tài)存取；GPS技術(shù)對(duì)環(huán)衛(wèi)車輛進(jìn)行全球定位；GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的有效數(shù)據(jù)無線傳輸；最終通過數(shù)據(jù)信息集成，建立了統(tǒng)一管理的信息系統(tǒng)。

根據(jù)功能要求，設(shè)計(jì)了在途車載終端和車輛監(jiān)控平臺(tái)兩個(gè)子系統(tǒng)。其中，在途車載終端主要采集三種類型的數(shù)據(jù)：車輛GPS定位數(shù)據(jù)、垃圾桶電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)、單桶垃圾重量數(shù)據(jù)。通過安裝于車上的稱重傳感器及組件構(gòu)成的車載稱重裝置、稱重控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)單桶重量信息的獲取及算法處理，GPS模塊采集車輛的定位信息，射頻讀卡器讀取到電子標(biāo)簽信息，融合之后的數(shù)據(jù)一并發(fā)送至車載主機(jī)設(shè)備，通過GPRS無線傳輸模塊上傳至車輛監(jiān)控平臺(tái)，整個(gè)系統(tǒng)流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能環(huán)衛(wèi)車輛監(jiān)管系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括GPS接收機(jī)、稱重傳感器、稱重控制單元、RFID射頻讀卡器、車載主機(jī)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、車載顯示儀表、GPRS無線傳輸模塊等，其中6組稱重傳感器均勻分布在車體大梁兩側(cè)，采集到的重量信號(hào)經(jīng)二級(jí)硬件差動(dòng)放大及濾波后，信號(hào)傳輸至稱重控制單元，信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，以消除車體的振動(dòng)帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)稱重。RFID射頻讀卡器掃描生活垃圾桶的標(biāo)簽ID，采用超高頻920MHz～925MHz頻段實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的讀取，并且可以同時(shí)讀取多張標(biāo)簽卡。車載主機(jī)接收到標(biāo)簽號(hào)和車載重量信號(hào)，以及對(duì)應(yīng)的GPS接收機(jī)的地理坐標(biāo)，進(jìn)行算法處理及融合，一是在車載顯示儀表上顯示車載重量，標(biāo)簽號(hào)信息；二是通過GPRS無線傳輸模塊無線透?jìng)髦练?wù)器。車載電源管理系統(tǒng)為上述所有硬件電路提供穩(wěn)定的動(dòng)力能源。

2.1 稱重信號(hào)采集放大濾波電路

稱重傳感器以貼有應(yīng)變片的彈性體為敏感原件，在外接激勵(lì)電源后，輸出與外加負(fù)荷成正比例的模擬電壓信號(hào)。在應(yīng)變敏感區(qū)域表面上粘貼R1、R2、R3及R4四片（組）應(yīng)變計(jì)，組成惠斯汀電橋，當(dāng)受外力F作用時(shí)，彈性體變形，引起應(yīng)變計(jì)R1、R3受拉伸，電阻值變大；R2、R4受壓縮，電阻值減少，使電橋失去平衡，輸出與外力F成正比的電壓信號(hào)。稱重傳感器的負(fù)荷較小時(shí)，即電阻的相對(duì)變化量近似成線性關(guān)系，此時(shí)對(duì)測(cè)量的精度影響不大，但隨著傳感器所收到負(fù)荷增大，應(yīng)變片電阻變化量不斷增大，輸出信號(hào)的非線性也越來越大，最終導(dǎo)致測(cè)量精度超出可控范圍，如圖2所示。

2.2 車載電源管理系統(tǒng)

車載一般載有兩節(jié)蓄電池，工作電壓為12V，沒有其他的備用電源，故其工作的可靠性和穩(wěn)定性尤為重要。根據(jù)系統(tǒng)各部分正常工作的需要，本系統(tǒng)輸出電壓值分為9伏、5伏和3.3伏三個(gè)檔。車載電源管理系統(tǒng)，對(duì)車輛提供的12V 12000mAh蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，其主要用于以下三個(gè)方面：

（1）采用穩(wěn)壓芯片MIC5205將電源電壓穩(wěn)壓到5V后，給稱重傳感器電路、GPS接收機(jī)、液晶顯示電路、GPRS無線傳輸模塊供電。

（2）經(jīng)過一個(gè)二極管降至10V左右后，采用隔離回掃開關(guān)穩(wěn)壓器LT1424-9，輸出穩(wěn)定9V電壓供給讀卡器電路。

（3）為了能夠穩(wěn)定的給車載主機(jī)MCU提供穩(wěn)定足夠的電量，采用LM1117/LM1117I-800mA穩(wěn)壓器，其固定輸出電壓為3.3V、5.0V和可調(diào)版本的電壓精度為1%。固定電壓為3.3V的輸出電壓精度為2%，1A輸出電流時(shí)僅為5V。車輛電源管理系統(tǒng)的電路圖，如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，一是車載主控制器的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)車載傳感器及模塊的實(shí)時(shí)控制和通信，最終將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器平臺(tái)；二是基于GIS界面的監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將上傳的數(shù)據(jù)量化統(tǒng)計(jì)，顯示在城市地圖上，以便于監(jiān)控和管理。

主程序設(shè)計(jì)的流程如圖4所示，上電開始工作后，系統(tǒng)判斷是否在正常工作模式下，如果在非工作階段，則保持低功率待機(jī)模式，一旦接受工作觸發(fā)信號(hào)，DSP開始對(duì)內(nèi)置寄存器初始化，并高速運(yùn)行。對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別是對(duì)于是否開始稱重的初始條件，一旦讀卡器識(shí)別到合法標(biāo)簽后，則發(fā)送至車載主機(jī)，觸發(fā)中斷信號(hào)，開始對(duì)稱重傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這樣既保證了標(biāo)簽號(hào)與所稱得的重量數(shù)據(jù)相匹配，同時(shí)也節(jié)省了片內(nèi)資源，減少重復(fù)多次的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算。因?yàn)榉Q重信號(hào)的工況為戶外，而且車體本身一直處于啟動(dòng)狀態(tài)，所以處理器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次軟件濾波，提高稱重的精度。同時(shí)GPS模塊也將實(shí)時(shí)的地理位置信號(hào)傳送至處理器，數(shù)據(jù)融合之后的數(shù)據(jù)包通過GPRS無線傳輸模塊上傳至監(jiān)控服務(wù)器。

4 結(jié)語(yǔ)

文章針對(duì)環(huán)衛(wèi)車輛的監(jiān)管，設(shè)計(jì)的智能環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)，包括GPS接收機(jī)、稱重傳感器、稱重控制單元、RFID射頻讀卡器、車載顯示儀表、GPRS無線傳輸模塊和GIS信息平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)衛(wèi)車輛的可視化監(jiān)控，稱重?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，動(dòng)態(tài)圖層顯示作業(yè)過程，最終生成數(shù)據(jù)報(bào)表。經(jīng)過上海市靜安區(qū)實(shí)際使用，已夠達(dá)到預(yù)期的效果。對(duì)于目前我國(guó)環(huán)衛(wèi)管理的狀況來說，該系統(tǒng)具有很大的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

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