史雷萌 謝云 施嘯

摘 要：在城市建設(shè)中，基于嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)和傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工地環(huán)境的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括工地環(huán)境中的揚(yáng)塵、PM2.5、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等各項(xiàng)指數(shù)，并通過(guò)4G將各項(xiàng)數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)。系統(tǒng)具有對(duì)目標(biāo)監(jiān)控站的監(jiān)控、報(bào)警、記錄、查詢以及計(jì)數(shù)等功能，還可以與環(huán)境控制裝置聯(lián)動(dòng)。企業(yè)和市政監(jiān)管人員可通過(guò)手機(jī)APP和PC端管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，可滿足實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理需求，具有較好的應(yīng)用性與社會(huì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：低功耗單片機(jī);遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè);智慧工地;4G;數(shù)據(jù)采集;監(jiān)測(cè)終端

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）12-00-02

0 引 言

工地在施工過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體、噪音、灰塵對(duì)周?chē)用竦纳詈徒】翟斐闪藰O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(duì)日新月異的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[3]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為切實(shí)減緩建筑施工項(xiàng)目帶來(lái)的種種環(huán)境污染，對(duì)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(kāi)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(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

1 整體設(shè)計(jì)

智慧建筑工地遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)終端和遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)等，多個(gè)子節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后上傳至云端網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)端可通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)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(cè)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(guò)無(wú)線通信模塊傳輸?shù)皆破脚_(tái)服務(wù)器中。監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(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(cè)傳感器，型號(hào)為GP2Y1010AU0F[4]。該傳感器由紅外線發(fā)光二極管（IRED）和一個(gè)光電管成對(duì)角布置而成，利用光敏原理通過(guò)檢測(cè)空氣中塵埃的反射光來(lái)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(cè)，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(cè)環(huán)境溫濕度十分方便。該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕傳感器和一個(gè)NTC測(cè)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(zhǎng)期使用無(wú)銹琢現(xiàn)象，內(nèi)部潤(rùn)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(cè)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(kāi)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(cè)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(cè)試

在智慧建筑工地遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wú)需通過(guò)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(kāi)APP接收到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

建筑工地施工環(huán)境的情況與一個(gè)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(kāi)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(cè)系統(tǒng)對(duì)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。

參 考 文 獻(xiàn)

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