基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧建筑工地遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

史雷萌 謝云 施嘯

摘 要：在城市建設中，基于嵌入式開發(fā)技術(shù)和傳感器技術(shù)開發(fā)了一種在線遠程監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合系統(tǒng)，可實現(xiàn)對建筑工地環(huán)境的全面實時監(jiān)控，包括工地環(huán)境中的揚塵、PM2.5、溫度、濕度、風速、風向等各項指數(shù)，并通過4G將各項數(shù)據(jù)上傳到云平臺。系統(tǒng)具有對目標監(jiān)控站的監(jiān)控、報警、記錄、查詢以及計數(shù)等功能，還可以與環(huán)境控制裝置聯(lián)動。企業(yè)和市政監(jiān)管人員可通過手機APP和PC端管理平臺進行實時監(jiān)管，可滿足實時遠程監(jiān)測和管理需求，具有較好的應用性與社會價值。

關鍵詞：低功耗單片機;遠程環(huán)境監(jiān)測;智慧工地;4G;數(shù)據(jù)采集;監(jiān)測終端

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-02

0 引 言

工地在施工過程中產(chǎn)生的有害氣體、噪音、灰塵對周圍居民的生活和健康造成了極大影響[1]。文獻[2]提出了一種工地監(jiān)控方面的嵌入式系統(tǒng)。針對日新月異的移動網(wǎng)絡，文獻[3]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)。為切實減緩建筑施工項目帶來的種種環(huán)境污染，對其進行有效監(jiān)管，實地考察建筑工地情況，結(jié)合嵌入式開發(fā)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)，設計了一套穩(wěn)定、可靠、安全的智慧建筑工地遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有重要的應用價值和社會價值。

1 整體設計

智慧建筑工地遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集子節(jié)點、監(jiān)測數(shù)據(jù)終端和遠端網(wǎng)絡等，多個子節(jié)點采集數(shù)據(jù)后上傳至云端網(wǎng)絡，監(jiān)測端可通過4G無線網(wǎng)絡訪問云端并進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 子節(jié)點設計

子節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點和監(jiān)測終端組成。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點作為建筑工地環(huán)境的數(shù)據(jù)采集部分，負責將采集到的PM2.5、溫濕度、風速、風向等數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳輸?shù)皆破脚_服務器中。監(jiān)測終端基于機智云服務器，數(shù)據(jù)可在電腦軟件和手機APP上查詢。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點系統(tǒng)以STM32F429芯片作為核心處理器，外接外部存儲器、數(shù)據(jù)傳感器、電源、LCD顯示屏等。整體硬件框圖如圖2所示。

2.1 傳感器設計

2.1.1 PM2.5傳感器

PM2.5灰塵傳感器使用夏普光學灰塵濃度檢測傳感器，型號為GP2Y1010AU0F[4]。該傳感器由紅外線發(fā)光二極管（IRED）和一個光電管成對角布置而成，利用光敏原理通過檢測空氣中塵埃的反射光來判斷灰塵濃度。PM2.5傳感器電路原理如圖3所示。

2.1.2 DHT11溫濕度傳感器

選用文獻[5]中提及的DHT11溫濕度傳感器進行溫濕度檢測，它是已校準的數(shù)字溫濕度傳感器，采用標準單總線接口，檢測環(huán)境溫濕度十分方便。該傳感器包括一個電阻式感濕傳感器和一個NTC測溫元件，具有抗干擾、體積小、功耗低等優(yōu)點[6]。

2.1.3 氣象參數(shù)傳感器

RS-FSJT-N01風速變送器和RS-FX-N01風向變送器小而輕，便于攜帶和組裝，可以有效獲得風速或風向信息。風速變送器外殼由聚碳酸酯復合材料制成，風向變送器外殼采用優(yōu)質(zhì)鋁合金型材，外部進行電鍍噴塑處理，能夠保證變送器長期使用無銹琢現(xiàn)象，內(nèi)部潤滑軸承系統(tǒng)可確保準確采集信息[7]。

采用RS 485串口與上位機通信，使用ModBusRTU作為數(shù)據(jù)通信協(xié)議，方便處理數(shù)據(jù);采用CRC16校驗碼進行校驗，可保證數(shù)據(jù)準確性[8]。

2.2 網(wǎng)絡通信設計

將數(shù)據(jù)采集節(jié)點與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)服務器進行網(wǎng)絡連接。本設計采用銀爾達公司推出的廣和通G510。該模塊性能穩(wěn)定，功耗低，以極低的成本和風險實現(xiàn)硬件智能化，將產(chǎn)品接入互聯(lián)網(wǎng)[9]。機智云系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

2.3 軟件設計

系統(tǒng)軟件主要用到Keil MDK5開發(fā)環(huán)境與嵌入式RTOS操作系統(tǒng)。軟件代碼分為PM2.5灰塵傳感器模塊代碼、溫濕度傳感器模塊代碼、氣象參數(shù)測定模塊代碼、液晶顯示模塊代碼、機智云4G模塊代碼。軟件流程如圖5所示。

3 仿真及測試

在智慧建筑工地遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集和接收、界面顯示等需要滿足較高的要求。使用機智云模組進行GPRS數(shù)據(jù)交互，無需通過WiFi即可在手機上進行數(shù)據(jù)接收與查看。手機打開APP接收到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

4 結(jié) 語

建筑工地施工環(huán)境的情況與一個城市的空氣質(zhì)量和該城市居民的生活健康息息相關，基于嵌入式開發(fā)技術(shù)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)設計出的智慧建筑工地遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對建筑工地的監(jiān)管和城市環(huán)境的治理有著重要的現(xiàn)實意義。

參 考 文 獻

[1]陳揚勇.巖溶隧道注漿加固技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學，2009.

[2]崔玉鳳.基于無線傳感網(wǎng)絡的室內(nèi)環(huán)境測評系統(tǒng)[D].長春：長春理工大學，2016.

[3]武風波，張會可，呂茜彤.基于嵌入式的建筑工地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（20）：72-76.

[4]王為政.基于應變測量的無線同步采集系統(tǒng)的實現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學，2015.

[5]潘豐，王勝陽，劉凱，等.基于ModBus的遠程數(shù)據(jù)采集器設計[J].河南科技學院學報（自然科學版），2019，47（2）：65-71.

[6]陳偉.基于RT-thread的遠程家用服務機器人系統(tǒng)開發(fā)[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2015.

[7]侯作富，李超，吳文秀，等.基于機智云的工廠配電間遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].內(nèi)江科技，2018，39（8）：42-43.

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[9]陶鎮(zhèn).基于機智云的物聯(lián)網(wǎng)移動終端SDK的設計與實現(xiàn)[D].北京：中國科學院大學，2015.

[10]王希娟.基于物聯(lián)網(wǎng)的田園節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計[J].微型電腦應用，2017，33（7）：18-22.

[11]山東仁科測控技術(shù)有限公司.RS-FSJT-N01風速變送器[EB/OL].https：//www.docin.com/p-2140884934.html，2018-01-18.