基于LoRa技術的施工現場污染源監測系統

沈志勇 嚴再春 李鑫奎

上海建工集團股份有限公司 上海 201114

為實現建筑業的可持續發展和建設資源節約型、環境友好型社會的目標，“四節一環保”越來越受到全社會關注，特別是降低施工現場污染排放對降低能耗、保護環境、保障施工人員健康具有重要意義。

1 施工現場污染源

施工現場污染源種類眾多，主要包括噪聲、粉塵、廢水、廢氣、光等。

噪聲：噪聲源根據不同施工階段而有所不同。地下施工階段以打樁機、挖土機、鉆孔機等大型機械設備為主；結構施工階段以混凝土施工、振搗棒、電焊為主；裝修階段以重力敲打、切割、沖擊鉆、電鉆等為主。噪聲污染不僅影響周邊居民正常生活，更對施工人員的身心健康有著長遠影響。

粉塵：粉塵主要來源于施工現場切割及打磨材料、鉆孔、粉質材料處理及因風引起的揚塵。PM10由于粒徑較小，被人體吸入后會造成呼吸系統和循環系統的損害，引發哮喘、心臟病、肺病等疾病。施工揚塵對施工人員職業健康威脅較大，對城市環境也有較大影響。

廢水：廢水主要來源于施工現場的材料及設備清洗，特別是施工過程產生的泥漿。泥漿不僅會堵塞排水管道，干燥后還會變成灰塵，從而直接影響人們的身體健康，污染環境。

光：施工現場的光主要來源于焊切弧光及夜間施工的強光等。光污染不僅影響人們的正常睡眠，更會對人的眼睛產生不可逆轉的影響，有致白內障甚至致盲的風險。

綜上所述，施工污染源對施工人員的職業健康有著直接和長遠影響，國家和相關部門陸續頒布了一系列法律法規和標準文件，以防治施工污染源，保護和改善從業人員的工作環境和生活環境。

獲取污染源信息的量化數據，對污染源數據進行實時監測是實現施工污染源防治的前提。在國外，污染源監測技術已發展多年且相對成熟。在我國，隨著信息化技術與物聯網技術深入應用于土木工程行業，信息化施工與監測已被土木工程師普遍接受[1-4]，但現有污染源信息監測手段存在以下問題：

1）采集方面：監測項目種類多，不同類型的監測需要采用不同協議，采集到的數據解析存在一定難度。

2）傳輸方面：采用有線方式，存在布線麻煩、容易損壞等缺點；采用無線方式，數據衰減嚴重。

3）數據處理和展示方面：大量數據的采集與處理對技術要求較高。

2 施工污染源監測系統設計

2.1 系統設計思想

施工污染源監測系統通過電子產品獲取施工現場污染源變化情況，充分利用信息化產品的特點，發揮電子產品的實時高效性。該系統硬件設計的宗旨是：可靠、安全、穩定、持續。可靠是指采集到的數據必須是正確的，不能因為在途中受到電磁干擾或其他原因影響使數據發生改變；安全是指在數據傳輸過程中的安全性和私密性，數據包中的信息只能從起點到達指定的終點，其間不能被未經授權的其他儀器截獲；穩定是指產品穩定運行，不會經常出現故障；持續是指在合適體積下采用合適的電池，并且在程序以及硬件設計中擁有低功耗功能，使得模塊的平均功耗降低，達到盡可能延長電池持續供電時間的要求。

2.2 傳輸方案選擇及總體架構

建筑施工現場環境十分復雜，施工環境、污染源及污染源大小會因施工階段不同而發生變化，采集污染源數據的節點模塊所處環境也相應變化，可能會出現遮擋、衰減、干擾等一系列情況。綜合考量各種傳輸方案的優缺點，建議采用LoRa技術實現施工現場數據傳輸。它采用線性調制擴頻方式，能顯著提高接收靈敏度，實現了比其他調制技術更遠的通信距離。

硬件系統由網關、數據采集節點2個部分組成。

網關：每個網絡布置單個協調器節點，具有網絡最高權限，所有命令通過協調器轉達，所有的數據都會經過協調器傳輸到上位機，協調器同時還需負責系統的安全以及執行其他方面操作，保持與系統內部其他設備的通信。

數據采集節點：數據采集節點負責數據的采集工作，并將信息發送至網關。

2.3 網關設計

硬件中協調器由數據處理器、4G網絡、LoRa模塊、USB接口以及存儲器構成，其中數據處理器從LoRa內網獲取數據并分析處理后，將數據存儲于存儲器中，協調器在接收數據后將符合協議格式數據通過4G網絡傳到遠程服務器上。網關結構如圖1所示。

圖1 網關結構示意

2.4 采集節點設計

硬件中的采集節點由電源電路、數據處理器、存儲器、時鐘電路、狀態顯示電路、采集接口電路以及LoRa模塊構成，如圖2所示。其中電源電路為系統各模塊供電，數據處理器是系統運算和控制核心，狀態顯示電路用于顯示當前采集終端的情況，時鐘電路作為數據處理器的時基，采集接口電路用于系統調試及參數配置。

圖2 數據采集節點結構

2.5 上位機軟件實現

上位機監測軟件是整個系統的另一核心。在該部分中，用戶通過登錄該系統進行參數設置，整個系統通過Tomcat服務器在線發布，用戶可在任何1臺PC機上完成數據查詢、預警、系統管理與維護工作，該系統上位機部分分成溫濕度、噪聲、光照、PM10、廢水等5個模塊。

3 系統試運行

本系統首次運用在某一混凝土攪拌站。混凝土攪拌站在生產過程中會產生大量的粉塵、廢水和噪聲等，

3.1 設備監控系統的結構設計及實現原理

3.1.1 硬件組成

系統硬件包括以下幾個部分：粉塵濃度傳感器，監測施工現場粉塵濃度；噪聲、溫濕度、光照傳感器，監測噪聲、溫濕度等信息；污水傳感器，監測水流中污水濃度；數據采集器，采集傳感器信息；數據采集網關，收集采集器數據并將數據傳送至服務器；服務器數據庫及上位機，用于存儲遠程數據，用戶可通過Web界面進行查看。

3.1.2 設備監控系統結構

設備監控系統結構如圖3所示。

圖3 設備監控系統結構示意

3.1.3 在線故障檢測

系統實現在線故障檢測步驟：

1）實時采集混凝土生產設備不同作業點的粉塵濃度、振動加速度、噪聲聲壓級及攪拌機主機電流的參數信息。

2）混凝土生產設備運行一段時間后，分別計算該段運行時間內的粉塵濃度、振動加速度、噪聲聲壓級、攪拌機主機電流的參數平均值和比較值。

3）將實時采集各參數信息與步驟2計算得到的各個參數平均值、比較值進行對比，判斷各個參數是否存在異常信息。

該系統分為兩大模塊：數據采集模塊和數據分析預警模塊。數據采集模塊主要通過單片機芯片連接各種傳感器，將電流、振動加速度、粉塵、噪聲和溫度等一些同設備相關的重要數據采集后，通過遠距離433 MHz的通信，將數據發送至遠端的數據分析預警模塊。數據預警分析模塊接收到上述數據后，對這些數據進行智能分析（智能分析必須等待數據采集超過7 d后才能達到一個理想的分析預警過程），經過分析后對有潛在故障的信息通過微信或者QQ發送至指定人員手機或者其他終端設備。

3.2 調試及現場安裝

在混凝土攪拌站的合適位置安裝了相應傳感器及通信模塊，實時監測粉塵、噪聲、溫度、濕度等參數。

3.3 試運行效果

系統在攪拌站試運行期間運行穩定，未出現現場數據傳輸等問題，設備滿足數據采集需求，通過信息化手段獲取和提供攪拌站污染源信息，可使相關人員實時了解周邊現場環境，為現場環保工作開展提供數據支持。

該系統運行后大大降低了設備管理人員的工作強度，提高了工作效率，將攪拌站轉變為基于物聯網的數字化現場。目前，該攪拌站已實現生產數據的可追溯性，可隨時隨地通過互聯網查看各個站點最新的生產情況，以及自定義地對各類數據進行統計分析，大大提高了工作效率和數據的準確性。

4 結語

通過基于LoRa技術的施工現場污染源監測系統研究與應用，取得了以下效果：

1）實現了多項施工現場污染源的自動化采集，提高了污染源采集效率。

2）監測系統可實時提供污染源參數，系統顯示與環境參數同步更新。

3）監測系統可實現大數據分析和預警功能，從而能在污染超標的第一時間采取相應措施，改善了人員的作業條件，減少了環境污染。同時也轉變了現有企業管理模式，通過人工智能分析和預警給企業決策和綠色生產帶來質的飛躍。