CN102680538B - 基于气敏传感器和智蜂网络的道路中尾气监测方法 - Google Patents

Abstract

城市交通问题日益严重，随之而来的汽车尾气污染情况严重影响到城市居民的日常生活。本文是探索道路上车辆尾气排放的监测和管理的可行性方案。本发明基于无线传感器网（WSN）技术，针对气敏传感器的电化学感知能力，运用智蜂（ZigBee）网络对道路中汽车尾气状况进行感知和传输，对各个路段的信息进行汇总，处理、分析，发布给相关部门，由相关部门实时做出反应。从而使各路段空气质量保持在一定的高水平，使城市交通道路的行车更加通畅，提高社会生产效率，降低城市的污染，增加城市生活满意度。

Description

基于气敏传感器和智蜂网络的道路中尾气监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络（Wireless Sensor Networks：WSN）技术的对有害气体监测的应用系统，主要用于实时检测车辆尾气中一氧化碳的排放浓度，为城市交通和环境检测提供初始数据。该发明属于物联网技术和环境工程的交叉领域。 

背景技术

世界范围内城市化在迅速发展，人们感受到城市化带来的丰富的物质和精神生活的同时，却又不得不面对日益严重的环境恶化带来的危害。城市空气污染对人体健康的影响和造成的经济损失严重制约了和谐社会的发展,已成为我国以及当今世界最为关注的问题之一。我国众多大、中城市,由于机动车数目的快速增长,空气污染类型已由单纯的煤烟型污染向煤烟污染和机动车尾气混合型发展，治理汽车尾气带来的危害迫在眉睫。 

随着汽车数量的急剧增加，交通拥堵成了家常便饭，“汽车灾难”已经形成，由此带来的汽车尾气更是害人不浅。在车水马龙的街头，一股股浅蓝色的烟气从一辆辆机动车尾部喷出，这就是通常所说的汽车尾气。这种气体排放物不仅气味怪异，而且令人头昏、恶心，严重影响行人的身体健康。 

汽车尾气污染物主要包括：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒。即使大气中污染物浓度不高，但人体成年累月呼吸这种污染了的空气，也会引起慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿及肺癌等疾病。其中一氧化碳的含量最高，它可经呼吸道进入肺泡，被血液吸收，与血红蛋白相结合，形成碳氧血红蛋白，降低血液的载氧能力，削弱血液对人体组织的供氧量，导致组织缺氧，从而引起头痛等症状，重者窒息死亡。 

现如今的有毒有害气体检测仪器根据监测气体的种类，性质，浓度和检测性质的不同主要分为固定式气体检测仪和便携式气体检测仪。相应的监测方法也就分为简易工况法和电化学检测仪法。采用简易工况法检测时，被检车辆在底盘测功机上，通过计算机程序控制，模拟汽车道路行驶，测量排气中各污染物的含量。但是该种检测方法必须依靠特定的大型设备，待检车辆必须到为数不多的特定检测点去检测，每个检测点的检测压力过重，而且检测过程是模拟车辆在道路上行驶，模拟过程无法完全准确的测量出实际行驶时车在负载条件不同或者是在路况条件不好时车辆频繁启动，停止，加速时尾气不同的排放量，实时性不够高。电化学检测仪需要测量人手持仪器进入测量区域，这样因为测量环境的影响，会对测量人的身体健康情况造成影响，同样有一定的局限性。 

该发明以无线传感器网络技术为基础，把大量微型的、低功耗的无线传感器节点铺设在城市道路的路口，街道中，节点以自组织方式形成网络，实时感知和采集实际道路中汽车尾气中所含一氧化碳的浓度信息，并通过数据融合和多跳路由之后，将信息汇聚至基站节点，送至服务器，在后台管理系统中对检测数据进行处理分析，通过互联网送达信息需要方，实时监测城市道路中车辆尾气的动态变化，克服了现有方式的局限性，为环境和交通监测提供原始数据。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于无线传感器和智蜂网络的道路中有害气体一氧化碳的监测方法，用来帮助解决城市汽车尾气污染问题。通过实时对道路中车辆排放尾气中一氧化碳进行监测，将得到的数据分析处理后传送至环境部门和交管部门。一方面环境部门将收到的各路段尾气浓度信息发布到相关网站，供市民实时查询，并将每天不同路段在不同时间的尾气浓度做统计分析并做详实记录，为以后城市规划，空气污染治理提供最原始的可参考数据。另一方面交管部门对获得到的数据进行分析利用，有助于及时了解实时交通路况信息并动态的对交通进行疏导，管制。 

技术方案：本发明是基于气敏传感器和智蜂网络的道路中车辆尾气（一氧化碳）的监控方法，系统采用三电极电化学一氧化碳传感器，并将单片机控制技术引入到传感器中，使用高性能、低功耗通信处理芯片，提高了信息的处理、传输效率并且降低了功耗，缩小了硬件尺寸，对于整个监测系统来说克服了监测不方便的缺点，提高了监测实时性，减少了人防工作量。开发出适用性更强的一氧化碳监测节点，汇聚节点，并将信息传输到后台管理系统，由后台对道路中一氧化碳浓度进行存储、分析、显示，传输，方便人工动态调控与指挥。总体结构图见图1。 

具体组成包括以下几个部分： 

气体监测节点：气体监测节点硬件部分由电源电路模块，信号采集模块，单片机微处理模块和无线发射模块组成。本发明中，使用的气体传感器属于三电极系统，该系统由于控制了敏感电极的电位，所以电路可以做成体积很小的低功耗装置。传感器的工作电压范围为9~ 24 V DC, 由于设计的传感器内部处理电路芯片供电为5 V、3. 3 V等低电压, 输入电源电压需要进行降压设计。将监测节点置于实际道路，当车辆尾气中的一氧化碳气体扩散进入传感元件后在工作电极上发生氧化反应，在计数电极上发生的反应则正好与工作电极上的反应平衡。化学反应形成的电子流由电极引出后, 经信号调理电路进行信号放大、调理。在模拟信号通过A/D转换后由总线送入通信处理芯片进行处理，处理后的数字信号经过通信芯片的双引脚向天线输入正负射频信号。气体监测节点的作用就是能自动实时的采集道路尾气浓度数据的动态变化。这是本发明和其他尾气（一氧化碳）监测系统的区别之一。车流量监测节点结构见图2。

汇聚节点：汇聚节点包括以下几个模块：电源电路模块，无线射频通信模块，信息处理模块和GPS模块。汇聚节点可以放置在交通十字路口旁，使用锂电池或有源电源供电。通过射频模块接收来自所覆盖区域内监测采集节点发送的无线信号，在无线通信模块中设定好收发信息的工作模式和周期。收集到的信息交由通信芯片处理后送到串口接收驱动电路模块，接收到得信息通过串口送至上位机进行进一步处理。此节点通过串口接口模块可以进行全双工通信，便于服务器对其进行控制。GPS模块用来精确确认节点位置，便于人工维护。汇聚节点结构见图3。 

中继节点：中继节点的主要功能是收集、存储、转发由下位中继节点、沿途汇聚节点、车流量监测节点所发送的信息。见图3和图4。 

后台模块：后台模块包括动态数据库，后台处理，动态网站。数据库实时存储各个汇聚节点所发送的信息，由后台软件进行处理、分析，得出网络中的有用信息。构建方便用户的访问查询的动态网站，为出行者提供网上查询道路信息。并将信息发送至相关部门，服务终端可以为交通控制中心对交通调度以及环保部门对空气治理提供信息支撑。见图4和图5。 

空气质量交通信息警示牌：布置在各路段路口的空气质量及交通信息警示牌由后台管理中心控制，用电子显示屏发布当前本路段的尾气中一氧化碳浓度和危害指数，警示行人合理选择自己的行车路线，帮助交警对当前交通情况进行管制，疏导。见图5。 

方法流程：

该系统的完整过程具体描述如下：

将电化学传感器的感知技术和无线传感器技术用于城市道路上车辆尾气排放量的实时监测，浓度收集，处理分析，构建强大的服务信息平台，该方法具体过程如下：

步骤一：将一氧化碳气体监测节点放于道路两边的花圃内离地面50cm处，每隔特定周期就发送信号；一氧化碳气体监测节点由电源电路模块，信号采集模块，信号处理模块和无线射频通信模块4部分组成；采用一个双极型线性集成电路芯片来进行DC_DC变换控制，节点处理芯片的3.3V的供电电压由电源芯片将5 V电压转换而成，电源的输入端正向串联接入一个二极管，一方面保护传感器，另一方面防止电源线短路引起事故；车辆排出尾气中的一氧化碳气体经过扩散进入到路边的监测节点气孔中，在信号采集模块的气敏传感器工作电极上发生氧化反应，在计数电极上发生的反应则正好与工作电极上的反应平衡；化学反应形成的电子流由传感器电极引出后，送达信号调理电路；信号调理电路采用2片高精度，低偏置电流的运算放大器对信号进行放大，前端小信号经过放大后进行RC电路低通滤波处理，电路中接入P型场效应管，将P型场效应管的衬底连接到电源电压, 起开关作用,以防止电路在未供电时传感元件被极化，放大处理过后的模拟信号通过I/O总线送入信息处理和无线射频通信模块的通信处理芯片ADC_A/D转换P0端口的AIN7引脚进行处理，模拟信号得到A/D转换，模拟信号通过A/D转换后经通信处理芯片进行处理，将转换所得的数字信号输送到通信处理芯片的RF_P和RF_N引脚向无线射频模块RF输入正负射频信号，完成信号采集和无线发射；信号处理与无线射频模块中加入电源检测系统，实时监测节点的工作电压，实现方法为：采样AVDD_RREG引脚上的1/2电压，判定当前电源电压值，将其值和通信芯片的正常工作电压相比较，如果当前电压值小于正常电压，则芯片通过无线射频模块发送存储器中的电压警报信号；

步骤二：监测节点通过感应所测一氧化碳气体浓度变化来采集数据，并将所采集的有害气体浓度数据通过基于智蜂ZigBee协议的无线传感网络传送至汇聚节点，汇聚节点在工作模式下负责接收来自监测节点的信息；汇聚节点安置在交通路口边，汇聚节点中，同样设计电源检测系统，保证节点工作在正常电压范围之内；汇聚节点中的cc2430无线通信模块设定好发送信号的工作周期，并设定好网络传输的具体工作模式，接收到监测节点信息后随即反馈确认信息，保证传输的准确性并且避免数据重新传输浪费网络资源，无线通信模块芯片RF_P的32脚、RF_N的34脚分别接收来自PA的正向和负向射频信号，对收集到的信息先进行存储，再传递到通信处理模块，加上汇聚节点ID信息后由通信处理芯片处理后通过串口九针接口DB9和芯片RS232接口驱动器组成的串口模块送至上位机中进行进一步处理；

步骤三：汇聚节点将所得到的信息传递给后台信息处理服务器，后台服务器建立实时尾气浓度信息数据库，将收到的来自汇聚节点的信号，按照信号中所含的ID信息进行分类存储处理；根据数据库中的信息数据，后台服务器建立路段-尾气浓度直方图，将不同路段的尾气浓度值用直方图直观显示，同时建立时间-尾气浓度曲线图，以曲线形式按时间轴显示同一路段不同时段的尾气浓度变化趋势；根据危害人体健康的尾气浓度值，后台服务器设立临界尾气值，当有直方图的最大值达到或者超过此临界值时，后台服务器先确定有害气体超标的路段，并在电子地图上以感叹号形式标注出该路段的位置信息，然后结合尾气浓度低的路段，规划出一条合理的车辆分流路径，并通过网络将规划的车辆分流路径和该路段的尾气浓度直方图发送到交管部门设置在相关路段的信息警示牌并显示在上面。

有益效果：本发明提供了一种基于无线传感器网络的道路中车辆尾气的监测方法，相比于现有的检测方式，该系统有如下优势： 

1. 目前国内还没有一种同时针汽车尾气排放量检测和实际道路中空气质量监测的低成本，高技术的系统方案，本发明的出现很好的解决了这个问题，真正的有效去解决日益增多的车辆排放的尾气带来的气体污染问题，具有较好的社会意义。

2. 本发明的体系结构简单明了，功能完备可靠，硬件的设计全部采用模块化低功耗设计，低成本即可实现城市覆盖，以后的系统升级维护也简单快捷。 

3. 本系统采用无线传感器网络解决汽车尾气排放的监测问题，相比于简易工况法来说缩小了硬件尺寸与安装要求，减轻了了检测站过少带来的尾气检测压力，实现了在道路中检测汽车实际行驶过程中尾气的排放量，克服了模拟检测带来的局限性。相比于电化学检测仪法实现了自动检测，人工管理。避免了检测员要亲自去检测区域测量空气质量对身体带来的危害。 

4. 和环保部门与交管部门的合作，从交通和环境两方面同时着手，信息公开透明化，便于居民及时了解相关信息，选择更合理的出行方向，提供居民生活满意度并使其更好的参与到城市规划和环境治理中去。 

附图说明

图1 是 总体结构图， 

图2 是 检测节点结构图，

图3 是 汇聚节点和中继节点结构图，

图4 是 数据传输流向图，

图5 是 后台数据控制传输图，

图6 是 实际场景模拟图。

具体实施方式

下面以一个实际场景为例，系统包括一个城市中的四个路段A，B，C，D，涉及人员E，F，G，H。其中。具体步骤如下： 

步骤一：将系统各个装置安装、放置完成。 在路段A，B，C，D，建议将气体监测节点放于道路两边的花圃内，调整高度至离地面50cm处，并封装好监测节点，将汇聚节点安置在红绿灯旁。将整个系统调整为工作状态，车辆在道路上行驶，排出的尾气（一氧化碳）经过扩散进入到路边的监测节点气孔中，气敏传感器通过感应气体浓度转化为电子流，产生浓度数据，并将数据发送给汇聚节点，道路旁的汇聚节点将数据传送到后台服务器，后台软件对数据进行存储、处理、分析，并将各路段的情况送至环保部门和交管部门。

步骤二：早上上班时间，人流量车流量都达到高峰时期，主干道东方红大道附近已经发生严重的交通堵塞情况，车辆排起长队等待红绿灯，不停的起步停车，尾气排放量急剧增加，同时，民权路和沿河大道由于是非主干道，车辆相对稀少。安装在道路旁的监测节点和汇聚节点将道路尾气（一氧化碳）浓度传送到控制中心，环保部门和交管部门同时得到当前时段几个不同路段的尾气信息。 

步骤三：交管部门从数据得知东方红大道目前尾气（一氧化碳）浓度过高，判断当期车辆拥挤，通行不畅，如果出行的市民继续选择从主干道行驶必然造成更长久的交通堵塞，于是交管部门首先规划处现阶段出行的最佳路线，并同时将规划路线和东方红大道的空气质量信息以及交通状况发布在路口的空气质量交通信息警示牌。然后调整A路口的红绿灯，使直行方向的绿灯时间增加，并调整B路口的红绿灯，使红灯时间加长，减缓进入东方红大道车辆的增加。 

步骤四：E是一位公司白领，早上驾车上班，在行驶到B路口时看见路口空气质量交通信息警示牌，得知前方东方红大道交通堵塞难以通行，以及建议的最佳行车路线后，立即选择从改变方向，从民权路绕行，节省了时间，避免了因交通堵塞造成的上班迟到。F是一名学生，汽车经过B路口向东方红大道行驶时看见路口空气质量交通信息警示牌后得知前方车辆尾气（一氧化碳）浓度高，空气质量差，于是选择从沿河大道绕行，这样就防止了自己吸入尾气（一氧化碳）含量过高的空气，对自己的身体造成损害。 

步骤五：当班交警G在路口B执勤，在接到交管部门发布的消息后，开始人为的指挥交通。由于东方红大道的尾气（一氧化碳）浓度已经过高，对行人健康造成影响，故G在路口B限制一下排气量过大，对空气污染更严重的重型车辆通过，并指挥它们合理绕行。 

步骤六：H是一名老人，早上有晨练的习惯。在老人家附近有两个晨练点，一个是在东方红大道附近的街心公园，还有一个是位于沿河大道附近的运动广场。为了保证晨练的质量，需要一个空气清新的地点。早上出门之前，H先登录本城市环保部门网站，进入实施空气质量报告版块，查询要去的地方的空气质量。从发布的消息得知，东方红大道附近的街心公园，由于距离堵车路段比较近，受汽车排放尾气影响，空气质量为差，而沿河大道附近的运动广场，周围车流量少，空气质量好，适宜晨练。于是H选择运动广场作为晨练的地点，保证了身心健康。如图6。 

Claims (1)

1.一种基于气敏传感器和智蜂网络的道路中尾气监测方法，其特征是将电化学传感器的感知技术和无线传感器技术用于城市道路上车辆尾气排放量的实时监测，浓度收集，处理分析，构建强大的服务信息平台，该方法具体过程如下：

步骤一：将一氧化碳气体监测节点放于道路两边的花圃内离地面50cm处，每隔特定周期就发送信号；一氧化碳气体监测节点由电源电路模块，信号采集模块，信号处理模块和无线射频通信模块4部分组成；采用一个双极型线性集成电路芯片来进行DC_DC变换控制，节点处理芯片的3.3V的供电电压由电源芯片将5 V电压转换而成，电源的输入端正向串联接入一个二极管，一方面保护传感器，另一方面防止电源线短路引起事故；车辆排出尾气中的一氧化碳气体经过扩散进入到路边的监测节点气孔中，在信号采集模块的气敏传感器工作电极上发生氧化反应，在计数电极上发生的反应则正好与工作电极上的反应平衡；化学反应形成的电子流由传感器电极引出后，送达信号调理电路；信号调理电路采用2片高精度，低偏置电流的运算放大器对信号进行放大，前端小信号经过放大后进行RC电路低通滤波处理，电路中接入P型场效应管，将P型场效应管的衬底连接到电源电压, 起开关作用,以防止电路在未供电时传感元件被极化，放大处理过后的模拟信号通过I/O总线送入信息处理和无线射频通信模块的通信处理芯片ADC_A/D转换P0端口的AIN7引脚进行处理，模拟信号得到A/D转换，模拟信号通过A/D转换后经通信处理芯片进行处理，将转换所得的数字信号输送到通信处理芯片的RF_P和RF_N引脚向无线射频模块RF输入正负射频信号，完成信号采集和无线发射；信号处理与无线射频模块中加入电源检测系统，实时监测节点的工作电压，实现方法为：采样AVDD_RREG引脚上的1/2电压，判定当前电源电压值，将其值和通信芯片的正常工作电压相比较，如果当前电压值小于正常电压，则芯片通过无线射频模块发送存储器中的电压警报信号；

步骤二：监测节点通过感应所测一氧化碳气体浓度变化来采集数据，并将所采集的一氧化碳气体浓度数据通过基于智蜂ZigBee协议的无线传感网络传送至汇聚节点，汇聚节点在工作模式下负责接收来自监测节点的信息；汇聚节点安置在交通路口边，汇聚节点中，同样设计电源检测系统，保证节点工作在正常电压范围之内；汇聚节点中的cc2430无线通信模块设定好发送信号的工作周期，并设定好网络传输的具体工作模式，接收到监测节点信息后随即反馈确认信息，保证传输的准确性并且避免数据重新传输浪费网络资源，无线通信模块芯片RF_P的32脚、RF_N的34脚分别接收来自PA的正向和负向射频信号，对收集到的信息先进行存储，再传递到通信处理模块，加上汇聚节点ID信息后由通信处理芯片处理后通过串口九针接口DB9和芯片RS232接口驱动器组成的串口模块送至上位机中进行进一步处理；

步骤三：汇聚节点将所得到的信息传递给后台信息处理服务器，后台信息处理服务器建立实时尾气浓度信息数据库，将收到的来自汇聚节点的信号，按照信号中所含的ID信息进行分类存储处理；根据数据库中的信息数据，后台信息处理服务器建立路段-尾气浓度直方图，将不同路段的尾气浓度值用直方图直观显示，同时建立时间-尾气浓度曲线图，以曲线形式按时间轴显示同一路段不同时段的尾气浓度变化趋势；根据危害人体健康的尾气浓度值，后台信息处理服务器设立临界尾气值，当有直方图的最大值达到或者超过此临界值时，后台信息处理服务器先确定有害气体超标的路段，并在电子地图上以感叹号形式标注出该路段的位置信息，然后结合尾气浓度低的路段，规划出一条合理的车辆分流路径，并通过网络将规划的车辆分流路径和该路段的尾气浓度直方图发送到交管部门设置在相关路段的信息警示牌并显示在上面。

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