基于智慧燈桿的智慧感知子系統(tǒng)

張 培，張 偉，吳 剛

（重慶光電信息研究院有限公司，重慶401120）

環(huán)境監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)涉及內(nèi)容較廣且十分復(fù)雜的工作，易受到設(shè)備和監(jiān)測(cè)技術(shù)等因素影響，實(shí)際工作開(kāi)展中困難重重，需要連續(xù)性地長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，才能從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中揭示環(huán)境污染問(wèn)題，預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。以往環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中應(yīng)用的技術(shù)更多是針對(duì)山川、湖泊、江河進(jìn)行分析，對(duì)于突然出現(xiàn)的問(wèn)題，無(wú)法及時(shí)有效地進(jìn)行判斷和分析。將智慧燈桿物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，可為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供全面、準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)，整理和分析這些數(shù)據(jù)信息，能及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)其中存在的問(wèn)題，做好預(yù)防和控制工作，確保環(huán)境保護(hù)工作真正落到實(shí)處，提升環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量和監(jiān)測(cè)效率。

根據(jù)中國(guó)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的本質(zhì)要求，進(jìn)一步提升環(huán)境監(jiān)測(cè) （包括但不限于空氣監(jiān)測(cè)）能力，根據(jù)相關(guān)政策和規(guī)范，不斷拓寬監(jiān)測(cè)范圍。由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染來(lái)源也在不斷增加，在制定相關(guān)環(huán)境監(jiān)控政策同時(shí)，還應(yīng)對(duì)不同污染物協(xié)調(diào)監(jiān)控，以此來(lái)提高物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的有效性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享。諸如，通過(guò)對(duì)PM2.5指標(biāo)檢測(cè)確定污染來(lái)源，從而制定有效的監(jiān)控策略，結(jié)合實(shí)際情況，健全和完善監(jiān)測(cè)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)，提升環(huán)境監(jiān)測(cè)工作質(zhì)量和效率。

為提高環(huán)境監(jiān)測(cè)效果，提升環(huán)境監(jiān)測(cè)工作有效性，需要建立統(tǒng)一的信息環(huán)境感知平臺(tái)，使環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息得到共享，從而有效加強(qiáng)城市管理水平，提升環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量。集成統(tǒng)一環(huán)境感知平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的自動(dòng)審核、分析和存儲(chǔ)，深入分析數(shù)據(jù)信息，確保監(jiān)測(cè)工作的可靠性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

1 需求

1.1 功能需求

1）感知設(shè)備的管理功能

管理智慧感知設(shè)備資產(chǎn)信息和具體分布的地理位置信息。

2）感知設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能

通過(guò)智慧感知子系統(tǒng)控制感知設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)等。

3）智慧感知數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)功能

收集智慧感知子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析，實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)功能。

1.2 非功能需求

本地感知的響應(yīng)時(shí)間不大于20 ms。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)功能邏輯圖

系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、集中控制器、傳感器管理、通信網(wǎng)絡(luò)和軟件平臺(tái)5部分構(gòu)成，可根據(jù)每個(gè)城市的具體規(guī)模和需求情況調(diào)整，組成適合該城市的個(gè)性化管理系統(tǒng)。智慧感知子系統(tǒng)功能主要包括感知設(shè)備管理、設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能和監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)功能 （見(jiàn)圖1）。

圖1 系統(tǒng)功能邏輯圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以嵌入式微控制器為核心，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)智慧燈桿物聯(lián)網(wǎng)智能感知嵌入式系統(tǒng)模塊，通過(guò)輸入通道或串行通信，與溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、PM10、PM2.5等傳感器連接，實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、空氣中可吸入顆粒物濃度 （PM10）和細(xì)顆粒物濃度 （PM2.5）等參數(shù)。通過(guò)串行通信，將各檢測(cè)參數(shù)傳送到智慧燈桿的控制器，以便智慧燈桿的檢測(cè)數(shù)據(jù)就地匯聚 （見(jiàn)圖2）。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括電源模塊、微控制器模塊、通信模塊、傳感器接口模塊設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)工作如圖3所示。其中，電源模塊不僅要給微控制器模塊供電，還要為各傳感器供電，各部分對(duì)電源電壓的要求不一樣，因此，電源部分可獨(dú)立成單獨(dú)的電路板。微控制器模塊、通信模塊、傳感器接口模塊可集成在一塊電路板上。

圖2 系統(tǒng)示意圖

圖3 硬件設(shè)計(jì)框圖

2.4 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)包括微控制器應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集和串行通信3部分，其構(gòu)成如圖4所示。程序開(kāi)發(fā)中優(yōu)先采用基于固件庫(kù)的開(kāi)發(fā)方式，通信協(xié)議優(yōu)先考慮Modbus串行通信。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)框圖

3 開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)研發(fā)智慧感知應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境感知功能，研發(fā)了2個(gè)嵌入式軟件，本地感知的響應(yīng)時(shí)間不大于20 ms，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 智慧感知應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行界面

4 結(jié)論

基于智慧燈桿的物聯(lián)網(wǎng)智能感知子系統(tǒng)是新一代的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，擁有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用空間。結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需要，分析并設(shè)計(jì)了智慧燈桿物聯(lián)網(wǎng)智能感知子系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試和示范應(yīng)用，圓滿地完成了預(yù)設(shè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了信息的完整連接。實(shí)現(xiàn)功能的范圍比較廣泛，從采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)到反饋數(shù)據(jù)均有涉及。該系統(tǒng)已在市場(chǎng)上取得了一些示范應(yīng)用效果，但只對(duì)物聯(lián)網(wǎng)下智慧感知技術(shù)進(jìn)行了初步的研究和實(shí)現(xiàn)，想要設(shè)計(jì)更具親和力及廣泛性的智慧感知系統(tǒng)，還需開(kāi)發(fā)多模塊的擴(kuò)展功能，進(jìn)行更深入的研究工作。