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

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(xiàn) [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(luò)，文獻(xiàn) [3] 提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)。為切實(shí)減緩建筑施工項(xiàng)目帶來的種種環(huán)境污染，對其進(jìn)行有效監(jiān)管，實(shí)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(jì)算等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定、可靠、安全的智慧建筑工地遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價值和社會價值。

1 整體設(shè)計(jì)

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

2 子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測終端組成。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)作為建筑工地環(huán)境的數(shù)據(jù)采集部分，負(fù)責(zé)將采集到的 PM2.5、溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳輸?shù)皆破脚_服務(wù)器中。監(jiān)測終端基于機(jī)智云服務(wù)器， 數(shù)據(jù)可在電腦軟件和手機(jī)APP 上查詢。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)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。

圖 2 數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

2.1.1 PM2.5 傳感器

PM2.5 灰塵傳感器使用夏普光學(xué)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(xiàn) [5] 中提及的 DHT11 溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度檢測，它是已校準(zhǔn)的數(shù)字溫濕度傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn) [6]。

2.1.3 氣象參數(shù)傳感器

RS-FSJT-N01 風(fēng)速變送器和 RS-FX-N01 風(fēng)向變送器小而輕，便于攜帶和組裝，可以有效獲得風(fēng)速或風(fēng)向信息。風(fēng)速變送器外殼由聚碳酸酯復(fù)合材料制成，風(fēng)向變送器外殼采用優(yōu)質(zhì)鋁合金型材，外部進(jìn)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(zhǔn)確采集信息[7]。

采用 RS 485 串口與上位機(jī)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(yàn)碼進(jìn)行校驗(yàn)，可保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性 [8]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。本設(shè)計(jì)采用銀爾達(dá)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(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)硬件智能化，將產(chǎn)品接入互聯(lián)網(wǎng) [9]。機(jī)智云系統(tǒng)架構(gòu)如圖 4 所示。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

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(jī)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(yuǎn)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(jī)智云模組進(jìn)行GPRS 數(shù)據(jù)交互，無需通過 WiFi 即可在手機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與查看。手機(jī)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(guān)，基于嵌入式開發(fā)技術(shù)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)設(shè)計(jì)出的智慧建筑工地遠(yuǎn)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(shí)意義。