基于数字信息技术的智能环卫系统开发

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  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。
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