基于物聯網的智慧建筑工地遠程環境監測系統

史雷萌 謝云 施嘯

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

關鍵詞：低功耗單片機;遠程環境監測;智慧工地;4G;數據采集;監測終端

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]提出了一種工地監控方面的嵌入式系統。針對日新月異的移動網絡，文獻[3]提出了一種基于物聯網的監測系統。為切實減緩建筑施工項目帶來的種種環境污染，對其進行有效監管，實地考察建筑工地情況，結合嵌入式開發、傳感器、物聯網、云計算等技術，設計了一套穩定、可靠、安全的智慧建筑工地遠程環境監測系統，該系統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境監測系統主要分為數據采集子節點、監測數據終端和遠端網絡等，多個子節點采集數據后上傳至云端網絡，監測端可通過4G無線網絡訪問云端并進行數據交換。系統框架如圖1所示。

2 子節點設計

子節點硬件結構主要由數據采集節點和監測終端組成。數據采集子節點作為建筑工地環境的數據采集部分，負責將采集到的PM2.5、溫濕度、風速、風向等數據通過無線通信模塊傳輸到云平臺服務器中。監測終端基于機智云服務器，數據可在電腦軟件和手機APP上查詢。數據采集子節點系統以STM32F429芯片作為核心處理器，外接外部存儲器、數據傳感器、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，它是已校準的數字溫濕度傳感器，采用標準單總線接口，檢測環境溫濕度十分方便。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、功耗低等優點[6]。

2.1.3 氣象參數傳感器

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質鋁合金型材，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象，內部潤滑軸承系統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作為數據通信協議，方便處理數據;采用CRC16校驗碼進行校驗，可保證數據準確性[8]。

2.2 網絡通信設計

將數據采集節點與環境監測數據服務器進行網絡連接。本設計采用銀爾達公司推出的廣和通G510。該模塊性能穩定，功耗低，以極低的成本和風險實現硬件智能化，將產品接入互聯網[9]。機智云系統架構如圖4所示。

2.3 軟件設計

系統軟件主要用到Keil MDK5開發環境與嵌入式RTOS操作系統。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境監測系統中，數據采集和接收、界面顯示等需要滿足較高的要求。使用機智云模組進行GPRS數據交互，無需通過WiFi即可在手機上進行數據接收與查看。手機打開APP接收到的數據如圖6所示。

4 結 語

建筑工地施工環境的情況與一個城市的空氣質量和該城市居民的生活健康息息相關，基于嵌入式開發技術、傳感器、物聯網、云計算等技術設計出的智慧建筑工地遠程環境監測系統對建筑工地的監管和城市環境的治理有著重要的現實意義。

參 考 文 獻

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[2]崔玉鳳.基于無線傳感網絡的室內環境測評系統[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境監測系統設計[J].現代電子技術，2017，40（20）：72-76.

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

[5]潘豐，王勝陽，劉凱，等.基于ModBus的遠程數據采集器設計[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開發[D].杭州：浙江工業大學，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測系統[J].內江科技，2018，39（8）：42-43.

[8] Gizwits IoT.獨立MCU方案接入機智云[N/OL].2011-2017（14）.http：//docs.gizwits.com/zh-cn/quickstart/UseMCU.html.

[9]陶鎮.基于機智云的物聯網移動終端SDK的設計與實現[D].北京：中國科學院大學，2015.

[10]王希娟.基于物聯網的田園節水灌溉系統設計[J].微型電腦應用，2017，33（7）：18-22.

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