基于数字信息技术的智能环卫系统开发

    孙来等

    摘 要：随着生活水平提高，环境卫生已是被广泛关注的问题，由于目前环卫监管技术手段的不完善，违规倾倒、倒买倒卖现象时有发生，对周边居民生活、环境带来了极大损害。文章提出了一种RFID（无线射频动态存取技术）、GPS（全球定位技术）、GPRS（移动通讯技术）、GIS（地理信息技术）等多项数字信息技术于一体，对环卫车辆统一管理的信息化系统平台。从功能上，设计了在途车载终端和车辆监控平台两个子系统。其中，在途车载终端完成车载货物重量信息、定位信息、电子标签信息的数据采集，通过GPRS无线上传至服务器平台。监控平台可实时观测车辆的作业位置、行驶路线、有无违章行为，并进行量化统计，生成收集垃圾的数据报表，作为分析和考评的依据。该系统平台经实际使用，能达到预期效果，车载系统符合国家安全管理规定，在环卫行业监管工作中，具有很高实用价值和推广意义。

    关键词：无线射频识别；车载称重；GPS定位；GPRS通讯；地理信息系统

    目前，环卫车辆监控系统能够实现车辆定位的监控，但不能进行对车载货物重量的实时监控。在车载终端数据上传方式上，采用的通信方案依次有无线电台、集群通信网和GSM短信息服务。根据国内实际使用的情况来看，无论是无线电台、集群通信网还是GSM短信息，效果都不理想。集群通信网有优先等级，调度功能强，加密性能好，但同时规模经济效益差，通信成本高，可靠性差。GSM网具有了漫游和越区切换功能，在广域车辆监控系统中占有很大优势。但实际上GSM短信息服务还是不能满足GPS车辆监控系统中数据实时传输的要求。文章通过GPRS移动通信网络将数据包通过无线透传至载有GIS地理信息的服务器平台，节省数据上传的费用，实现数据集成上传。

    1 系统的原理和功能

    RFID射频读卡器扫描生活垃圾桶的标签ID，进行无线射频动态存取；GPS技术对环卫车辆进行全球定位；GPRS技术实现对车辆的有效数据无线传输；最终通过数据信息集成，建立了统一管理的信息系统。

    根据功能要求，设计了在途车载终端和车辆监控平台两个子系统。其中，在途车载终端主要采集三种类型的数据：车辆GPS定位数据、垃圾桶电子标签数据、单桶垃圾重量数据。通过安装于车上的称重传感器及组件构成的车载称重装置、称重控制单元实现对单桶重量信息的获取及算法处理，GPS模块采集车辆的定位信息，射频读卡器读取到电子标签信息，融合之后的数据一并发送至车载主机设备，通过GPRS无线传输模块上传至车辆监控平台，整个系统流程如图1所示。

    2 系统的硬件设计

    智能环卫车辆监管系统的硬件设计包括GPS接收机、称重传感器、称重控制单元、RFID射频读卡器、车载主机、电源转换系统、车载显示仪表、GPRS无线传输模块等，其中6组称重传感器均匀分布在车体大梁两侧，采集到的重量信号经二级硬件差动放大及滤波后，信号传输至称重控制单元，信号进行软件滤波，以消除车体的振动带来的误差，实现高精度的动态称重。RFID射频读卡器扫描生活垃圾桶的标签ID，采用超高频920MHz～925MHz频段实现长距离的读取，并且可以同时读取多张标签卡。车载主机接收到标签号和车载重量信号，以及对应的GPS接收机的地理坐标，进行算法处理及融合，一是在车载显示仪表上显示车载重量，标签号信息；二是通过GPRS无线传输模块无线透传至服务器。车载电源管理系统为上述所有硬件电路提供稳定的动力能源。

    2.1 称重信号采集放大滤波电路

    称重传感器以贴有应变片的弹性体为敏感原件，在外接激励电源后，输出与外加负荷成正比例的模拟电压信号。在应变敏感区域表面上粘贴R1、R2、R3及R4四片（组）应变计，组成惠斯汀电桥，当受外力F作用时，弹性体变形，引起应变计R1、R3受拉伸，电阻值变大；R2、R4受压缩，电阻值减少，使电桥失去平衡，输出与外力F成正比的电压信号。称重传感器的负荷较小时，即电阻的相对变化量近似成线性关系，此时对测量的精度影响不大，但随着传感器所收到负荷增大，应变片电阻变化量不断增大，输出信号的非线性也越来越大，最终导致测量精度超出可控范围，如图2所示。

    2.2 车载电源管理系统

    车载一般载有两节蓄电池，工作电压为12V，没有其他的备用电源，故其工作的可靠性和稳定性尤为重要。根据系统各部分正常工作的需要，本系统输出电压值分为9伏、5伏和3.3伏三个档。车载电源管理系统，对车辆提供的12V 12000mAh蓄电池进行电压调节，其主要用于以下三个方面：

    （1）采用稳压芯片MIC5205将电源电压稳压到5V后，给称重传感器电路、GPS接收机、液晶显示电路、GPRS无线传输模块供电。

    （2）经过一个二极管降至10V左右后，采用隔离回扫开关稳压器LT1424-9，输出稳定9V电压供给读卡器电路。

    （3）为了能够稳定的给车载主机MCU提供稳定足够的电量，采用LM1117/LM1117I-800mA稳压器，其固定输出电压为3.3V、5.0V和可调版本的电压精度为1%。固定电压为3.3V的输出电压精度为2%，1A输出电流时仅为5V。车辆电源管理系统的电路图，如图3所示。

    3 系统软件设计

    系统软件设计分为两个部分，一是车载主控制器的程序设计，实现对各个车载传感器及模块的实时控制和通信，最终将数据上传至服务器平台；二是基于GIS界面的监管系统设计，将上传的数据量化统计，显示在城市地图上，以便于监控和管理。

    主程序设计的流程如图4所示，上电开始工作后，系统判断是否在正常工作模式下，如果在非工作阶段，则保持低功率待机模式，一旦接受工作触发信号，DSP开始对内置寄存器初始化，并高速运行。对电子标签的识别是对于是否开始称重的初始条件，一旦读卡器识别到合法标签后，则发送至车载主机，触发中断信号，开始对称重传感器进行数据采集。这样既保证了标签号与所称得的重量数据相匹配，同时也节省了片内资源，减少重复多次的数据采集和计算。因为称重信号的工况为户外，而且车体本身一直处于启动状态，所以处理器对采集的数据进行二次软件滤波，提高称重的精度。同时GPS模块也将实时的地理位置信号传送至处理器，数据融合之后的数据包通过GPRS无线传输模块上传至监控服务器。

    4 结语

    文章针对环卫车辆的监管，设计的智能环卫系统，包括GPS接收机、称重传感器、称重控制单元、RFID射频读卡器、车载显示仪表、GPRS无线传输模块和GIS信息平台等，实现对环卫车辆的可视化监控，称重数据的实时上传，动态图层显示作业过程，最终生成数据报表。经过上海市静安区实际使用，已够达到预期的效果。对于目前我国环卫管理的状况来说，该系统具有很大的实用性和推广价值。

    [参考文献]

    [1]姚振强，王建，胡永祥，等.基于RFID/GPRS/GPS/GIS的危险品物流智能监管系统[J].公路交通科技，2013.30（2）：147-152.

    [2]金子辰，盛伟民，吴立梦，等.基于RFID、GPS、GIS和GPRS技术的智能化生物样本运输监管系统的开发及应用[J].环境与职业医学，2012.29（4）：225-228.

    [3]王玉泉，朱韶红.基于RFID、GPS与GPRS的危险品物流监控系统的研究[J].微计算机信息学，2011，27（4）：106-108.