基于嵌入式的建筑工地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

武風(fēng)波　張會可　呂茜彤

摘 要： 城市建設(shè)中建筑揚塵對環(huán)境中PM2.5濃度影響較大，設(shè)計一套建筑工地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對建筑工地環(huán)境的實時監(jiān)測?；谇度胧郊夹g(shù)、傳感器技術(shù)，設(shè)計環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點、監(jiān)測終端，設(shè)計數(shù)據(jù)監(jiān)測服務(wù)器三部分組成二級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點與監(jiān)測終端之間通過WiFi無線通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測終端與數(shù)據(jù)監(jiān)測服務(wù)器之間通過3G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)據(jù)連接。監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)建筑工地環(huán)境參數(shù)及圖像的實時采集和報警，性能穩(wěn)定，且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送。系統(tǒng)設(shè)計合理、安裝方便、節(jié)能環(huán)保、具有良好的可擴展性，能夠滿足建筑工地安全性、可靠性的需求，實現(xiàn)建筑工地環(huán)境情況的監(jiān)測、報警。

關(guān)鍵詞： 建筑環(huán)境； PM2.5； ARM； STM32； WiFi； 無線監(jiān)測

中圖分類號： TN931+.3?34； TN919.5 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0072?05

Abstract： Because the construction dusts produced in the process of urban building have a great influence on concentration of PM2.5 in the environment， a construction site environmental monitoring system is designed to realize the real?time monitoring for the construction site environment. The environment data acquisition node， monitoring terminal and data monitoring server are designed on the basis of embedded technology and sensor technology to constitute a two?stage monitoring network. The data transmission between data acquisition node and monitoring terminal is realized with WiFi wireless communication mode， and the data connection between monitoring terminal and data monitoring server is constructed by means of 3G network. The monitoring system can realize the real?time acquirement and alarming of parameters and image data of construction site environment， and implement the remote sending of data， and has stable performance. The system has reasonable design， easy installation， energy saving， environment protection and perfect expandability， can meet the requirements of construction site for safety and reliability， and realize the monitoring and alarming for the environmental conditions of construction site.

Keywords： construction environment； PM2.5； ARM； STM32； WiFi； wireless monitoring

0 引 言

近年來，全國部分城市先后持續(xù)出現(xiàn)大范圍霧霾天氣。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示污染范圍覆蓋近270萬km2，影響近6億人口，波及17個省市，對大氣環(huán)境、交通安全帶來極大威脅，嚴重影響人們的身體健康，給我國經(jīng)濟發(fā)展造成巨大壓力，引起相關(guān)部門的高度重視[1]。

建筑工地情況相對復(fù)雜，建設(shè)過程中存在噪聲、有害氣體[2]、揚塵等問題，會對周圍環(huán)境造成影響，給周圍居民的生活帶來不便，同時污染對健康存在潛在威脅[3]。然而建筑工地相對分散，并且數(shù)量較多，所以監(jiān)管復(fù)雜，成本較高[4]。為了解決建筑工地監(jiān)管問題，減少建筑工地對環(huán)境的污染，有效監(jiān)管建筑工地噪聲、氣體污染問題，考察建筑工地現(xiàn)場，結(jié)合嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)、無線傳感器，設(shè)計一套節(jié)能環(huán)保、性能穩(wěn)定、操作簡單，且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程共享的建筑工地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[5]具有實際的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本建筑工地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分為二級網(wǎng)絡(luò)，三個層次[6]，即數(shù)據(jù)采集節(jié)點、監(jiān)測終端和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器這三部分，多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點與監(jiān)測終端通過wifi構(gòu)建一個建筑工地的局域網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點到監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測終端通過3G無線傳輸模塊與遠程服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點和監(jiān)測終端兩部分。

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點是建筑工地環(huán)境的采集部分，負責(zé)采集噪聲、PM2.5、揚塵、硫化氫等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸給監(jiān)測終端。數(shù)據(jù)采集節(jié)點以STM32為核心，拓展存儲器、數(shù)據(jù)采集傳感器、電源、無線通信等部分。數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件框圖如圖2所示。

（1） 核心處理STM32endprint

STM32專為低功耗、高性能、低成本的嵌入式應(yīng)用設(shè)計。本系統(tǒng)選用的STM32屬于STM32F103“增強型”系列，時鐘頻率高達72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的，從閃存執(zhí)行代碼，功耗36 mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。內(nèi)核屬于ARM32位的Cortex?M3 CPU，3種低功耗模式：休眠、停止、待機模式。閃存程序存儲器的存儲范圍為32～128 KB，SRAM的范圍為6～20 KB， A/D端口有18個通道，可測量 16個外部和2個內(nèi)部信號源。具有通道DMA控制器，支持的外設(shè)有：定時器，ADC，SPI，I2C和USART[7]。具備串行線調(diào)試和JTAG接口，具有功耗低、接口多等優(yōu)點。本設(shè)計中選擇的型號是STM32F103ZET6。

（2） 噪聲傳感器模塊

在設(shè)計中，選擇的噪聲傳感器模塊為TZ?2KA型噪聲傳感器。該傳感器操作簡單、高聲強動態(tài)范圍、采集聲頻范圍寬。其工作頻率為20 Hz～20 kHz，采集動態(tài)范圍是20～140 dB，靈敏度保持在50 mV/Pa水平，并且它具有體積小、重量輕、安裝靈活等優(yōu)點，其監(jiān)測的聲強能量范圍符合國家噪聲管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部要求，對聲音頻率的監(jiān)測范圍涵蓋了人耳能夠感應(yīng)的全部頻率。同時該傳感器輸出的信號為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，這樣與其他種類的測量模塊和數(shù)據(jù)采集模塊就可以方便地組成各種需要的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。能夠較好地滿足汽車檢測線噪聲的自動測量；聲源定位、噪聲定量分析、噪聲治理及聲學(xué)研究；機械設(shè)備的反常早期發(fā)現(xiàn)；環(huán)境噪聲的定點在線監(jiān)測、化驗液體的亂流；石油勘探的噪聲測井儀；旋轉(zhuǎn)機械振動噪聲監(jiān)測等應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計需求。

（3） PM2.5傳感器模塊

在設(shè)計中，選擇的PM2.5傳感器模塊為OPC?N2型PM2.5傳感器。它是一款便于攜帶、性能穩(wěn)定、測試精度高、操作方便、響應(yīng)時間快的輕便型裝置。PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的微顆粒物，雖然它在空氣中的含量很少，但卻對視線能見度和大氣環(huán)境產(chǎn)生重大影響。相比其他粒徑較大的微顆粒物，PM2.5直徑相對較小，長期懸浮在空氣中，不易降解，而人類的身體結(jié)構(gòu)對PM2.5并沒有過濾功能，有毒氣體溶解在血液中，對社會環(huán)境質(zhì)量和人體健康的危害是不可估計的。OPC?N2采用新一代粒子計數(shù)算法，綜合運用激光檢測技術(shù)、空氣動力學(xué)、光機電一體化研發(fā)、數(shù)字信號處理，能夠準(zhǔn)確快速地檢測到周圍大氣中微顆粒物的粒徑分布和粒子數(shù)，價格低廉有利于進行多點分布檢測，從而形成密集的檢測網(wǎng)路，為研究空氣污染狀況提供依據(jù)。

（4） 揚塵傳感器

在設(shè)計中，選擇的揚塵傳感器模塊為PMS5003型揚塵傳感器。它是一款測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、內(nèi)置風(fēng)扇、數(shù)字化輸出、集成度高、響應(yīng)快速、場景變換響應(yīng)時間小于10 s、便于集成、串口輸出（或I/O 口輸出可定制）的揚塵傳感器。PMS5003采用激光散射原理，當(dāng)檢測位置有激光照射時，顆粒物會產(chǎn)生微弱的光散射，由于在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關(guān)，所以通過不同粒徑的波形分類統(tǒng)計和換算公式就可以得到不同粒徑的顆粒物的數(shù)量濃度，按照一定方法得到與官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度，該傳感器能夠監(jiān)測到空氣中0.3～10 μm懸浮顆粒物濃度，如房屋灰塵、霉菌、香煙煙塵等。

（5） WiFi通信模塊

在數(shù)據(jù)采集節(jié)點和監(jiān)控終端之間采用WiFi網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，在采集節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點n和監(jiān)測終端上分別連接一個WiFi模塊，它們之間組成一個基于Ad Hoc的無線局域網(wǎng)，考慮到建筑工地環(huán)境中采集節(jié)點和監(jiān)測終端的距離有限，采用這種方式既不用考慮布線成本，又可以保證數(shù)據(jù)的有效傳輸。WiFi是作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點和監(jiān)測終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵哪K，基于IEEE 802.11n協(xié)議設(shè)計。傳輸延時短、效率高，達到很好的數(shù)據(jù)傳輸效果。

（6） 硫化氫傳感器

在設(shè)計中，選擇的硫化氫傳感器為MQ135型傳感器。它既能靈敏地感應(yīng)硫化物、氨氣、苯系蒸汽，又能精確地檢測煙霧等其他有害氣體，是一款適用于多種場合的低成本傳感器。MQ135傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的SnO2。當(dāng)傳感器所處的環(huán)境中存在有害氣體時，其電導(dǎo)率發(fā)生變化，污染氣體的濃度越高，其電導(dǎo)率越大。本文可以設(shè)計簡單的電路將傳感器電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c該氣體濃度對應(yīng)的輸出信號。MQ135對污染氣體的感應(yīng)程度濃度范圍為10～1 000 ppm，適用于多種環(huán)境下的有害氣體監(jiān)測。

（7） 電源模塊

設(shè)計中選用多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)為數(shù)據(jù)采集節(jié)點供電，電池組輸出電壓為8.4 V，采用LM2596降壓穩(wěn)壓芯片設(shè)計8.4 V?5 V電壓轉(zhuǎn)化電路，將電池組電壓轉(zhuǎn)換成核心板的工作電壓。

2.2 監(jiān)測終端硬件設(shè)計

監(jiān)測終端以ARM11為核心，拓展存儲器、報警單元、顯示單元、3G傳輸模塊、WiFi模塊、攝像頭模塊和GPS模塊，實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集數(shù)據(jù)的無線接收、匯總、顯示，并通過3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送，將數(shù)據(jù)上傳至環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器。監(jiān)測終端組成框圖如圖3所示。

（1） 芯片選擇

終端設(shè)計中選用三星公司的S3C6410核心處理器，該處理器是基于ARM11內(nèi)核的高性能的RISC微處理器，它在移動電話等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其硬件性能為3G網(wǎng)絡(luò)提供很好的通信服務(wù)。S3C6410硬件加速器作用強大，能夠?qū)D像和視頻進行處理顯示等操作。ARM11架構(gòu)的S3C6410內(nèi)部資源豐富，有8路高達10位精度的ADC等。外部接口多樣，有GPIO口、LCD接口、USB口、串口，有利于進行系統(tǒng)擴展。S3C6410功耗低，在電源供電情況有限的條件下，可以自由選擇工作在省電模式，同時還可以根據(jù)主頻實際需求選擇400 MHz，533 MHz，667 MHz三種操作頻率。ARM是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，采用“核心板+底板”的設(shè)計結(jié)構(gòu)。憑借其體積小、性價比高、功能強大等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在手機電腦等智能終端領(lǐng)域中。endprint

（2） 攝像頭模塊

在設(shè)計中，選擇的攝像頭模塊為ZC301攝像頭， 用于建筑工地環(huán)境的圖像采集，ZC301與核心板S3C6410通過USB接口連接，USB接口既作為數(shù)據(jù)交換接口，又作為供電接口。

（3） 3G模塊

本設(shè)計選用的3G無線通信模塊是華為公司的E261 3G模塊，通過USB口與OK6410相連，用來與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器進行網(wǎng)絡(luò)連接。

（4） 報警單元與顯示單元

報警電路通過蜂鳴器電路設(shè)計實現(xiàn)，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)不在程序設(shè)定的范圍內(nèi)時，蜂鳴器發(fā)出聲音，實現(xiàn)數(shù)據(jù)異常報警。終端顯示屏采用OK6410配套的4.3寸觸摸TFT彩色液晶顯示屏，顯示單元將接收到的PM2.5數(shù)據(jù)、噪聲數(shù)據(jù)、揚塵數(shù)據(jù)、硫化氫數(shù)據(jù)及GPS數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)等顯示在界面上。

（5） GPS模塊

本設(shè)計中選用的GPS模塊為UBLOX NEO?6M GPS定位模塊，它功能全面、性能卓越、功耗低，能夠滿足精確定位及工地消費需求。GPS模塊獲得建筑工地監(jiān)測地點的經(jīng)緯度，便于監(jiān)管人員隨時定位到發(fā)生數(shù)據(jù)異常的施工地點。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器

環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器[8]通過網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)測終端通過3G網(wǎng)絡(luò)上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)，服務(wù)器的正常啟動需要安裝花生殼客戶端，完成IP映射配置，這樣服務(wù)器就會在公域網(wǎng)可見。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計和監(jiān)測終端軟件設(shè)計兩部分。數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用Keil開發(fā)環(huán)境，監(jiān)測終端基于Linux嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，在Linux系統(tǒng)下搭建交叉編譯環(huán)境，使用Qt編程實現(xiàn)監(jiān)測終端的界面顯示等功能。

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計編譯環(huán)境采用Keil μVision 5，編寫語言采用C語言。軟件控制STM32讀取各傳感器采集的數(shù)值大小，將其按照一定的數(shù)據(jù)封裝格式封裝在TCP數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包按順序存入數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集的噪聲、PM2.5、硫化氫、揚塵等數(shù)據(jù)。接著控制數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與監(jiān)測終端組建局域網(wǎng)[9]，通過局域網(wǎng)Ad Hoc將數(shù)據(jù)包發(fā)送給監(jiān)測終端，監(jiān)控終端接收數(shù)據(jù)之后如果返回“11”，則表示接收數(shù)據(jù)成功，否則繼續(xù)發(fā)送，重復(fù)此過程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點與監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)通信。

3.2 監(jiān)測終端軟件設(shè)計

監(jiān)測終端軟件由兩部分組成：數(shù)據(jù)采集與解析和界面顯示設(shè)計。監(jiān)測終端軟件的功能主要分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的接收、監(jiān)測終端GPS和工地圖像信息的獲取及信息顯示等功能模塊。監(jiān)測終端軟件流程見圖5。

（1） 數(shù)據(jù)采集與解析

監(jiān)測終端解析、采集軟件主要分為TCP數(shù)據(jù)接收解析、GPS與圖像數(shù)據(jù)采集兩部分，主要采用Linux C語言開發(fā)實現(xiàn)。監(jiān)測終端接收到數(shù)據(jù)采集節(jié)點TCP數(shù)據(jù)包后進行解析，所接收的數(shù)據(jù)包由4部分組成：數(shù)據(jù)包大小、數(shù)據(jù)采集節(jié)點編號、工地環(huán)境數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志。監(jiān)測終端的TCP服務(wù)器程序監(jiān)聽端口，接受數(shù)據(jù)采集節(jié)點TCP連接請求，接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)包大小，接收完全部的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包按照“數(shù)據(jù)采集節(jié)點編號，噪聲、PM2.5，揚塵、硫化氫，數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志位”格式進行解析，然后顯示在終端界面上。同時終端外部連接GPS、圖像模塊，程序控制進行GPS數(shù)據(jù)讀取、解析以及圖像獲取操作，采集到的圖像和GPS數(shù)據(jù)UI顯示在終端界面上。

（2） 界面顯示設(shè)計

終端軟件的界面顯示設(shè)計使用Qt開發(fā)語言編程實現(xiàn)，Qt是Linux系統(tǒng)下界面開發(fā)的重要工具，它在Window，iOS，Linux下具有很好的移植性，使用Qt開發(fā)程序和編寫界面顯示設(shè)計，首先需要在Linux系統(tǒng)下搭建Qt集成開發(fā)環(huán)境[10]。

本終端軟件界面設(shè)計中，所要顯示的數(shù)據(jù)主要包括三大部分：建筑工地圖像數(shù)據(jù)、建筑工地環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)。顯示的建筑工地環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)主要包括噪聲、PM2.5、揚塵、硫化氫等。

本系統(tǒng)設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點有三個，界面可以分別顯示三個采集節(jié)點的數(shù)據(jù)變化曲線，所顯示的環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)是一段時間內(nèi)三個監(jiān)測采集節(jié)點采集數(shù)據(jù)的變化范圍，同時終端會根據(jù)我國環(huán)境指標(biāo)相關(guān)規(guī)定，判斷環(huán)境狀態(tài)，并顯示出來。所接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)會通過嵌入式數(shù)據(jù)庫存儲起來，用于后期環(huán)境狀態(tài)查詢操作。

4 系統(tǒng)測試

在建筑工地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集與接收、系統(tǒng)報警、界面顯示要滿足很高的實時性要求。WiFi作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點與監(jiān)測終端通信的核心模塊，其穩(wěn)定性直接影響整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的穩(wěn)定性。

實驗室條件下，對系統(tǒng)WiFi模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實時性、GPS定位信息的精確性進行測試。測試過程中，采用三個數(shù)據(jù)采集節(jié)點與一個監(jiān)測終端相連接，監(jiān)測終端界面顯示數(shù)據(jù)采集節(jié)點通過WiFi周期性發(fā)送到監(jiān)測終端的噪聲、PM2.5、揚塵、硫化氫等數(shù)據(jù)，延時小于1 s，并繪制成動態(tài)曲線，可通過下拉菜單欄選擇想要查看的節(jié)點編號；同時GPS模塊能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位，為建筑工地的監(jiān)管提供便利。經(jīng)過多天測試，WiFi組建的局域網(wǎng)通信具有較強的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)噪聲、PM2.5、揚塵、硫化氫等數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

5 結(jié) 語

建筑工地施工環(huán)境的好壞直接影響城市空氣質(zhì)量和人類身體健康，基于嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)建筑工地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以完成建筑工地環(huán)境各參數(shù)、GPS及圖像數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與報警，對建筑工地的監(jiān)督與城市環(huán)境治理具有一定的實際意義。

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