基于數字化技術的裝配式建筑PC生產線在線監測系統設計*

李琳琳

（湖南三一工業職業技術學院，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著裝配式建筑的崛起，PC構件生產基地不斷增多，而PC構件生產線上的混凝土結構、鋼結構和現代木結構等裝配式建筑構件在生產過程中彌漫到空氣中的粉塵顆粒物以及散發到空氣中的甲醛、苯等有害氣體，會對室內生產工作人員的身體健康產生嚴重的危害[1-2]。PC構件生產線室內空氣污染具有不可見性，是隱藏在人們身邊的不定時炸彈，人們長期在這樣的環境下工作，可能會引起慢性支氣管炎、支氣管哮喘、肺氣腫及肺癌等疾病，最終走向死亡。因此，PC構件生產線室內空氣質量問題成為了學界普遍關注的熱點問題[2-4]。及時、可靠、準確地檢測出這些粉塵顆粒和有害氣體，并以此為空氣質量監測人員提供決策依據，顯得尤為重要。

目前市場上現有的室內空氣質量檢測儀大部分需要人工和電子設備共同協作完成數據采集工作，在連續性和移動性方面有一定的優勢，但也存在監測點單一、智能化和網絡化程度低、監測范圍小、不能進行實時監測與數據分析等問題。隨著計算機技術、無線網絡技術、嵌入式技術的不斷發展，人們對實時數據采集、監測智能化和網絡化、數據分析多元化的需求也越來越大[5]。為了更精確地分析PC生產線的室內空氣污染程度，并及時采取相應的措施應對，為PC生產線上的工作人員提供良好的工作環境，亟需研究一種基于數字化技術的裝配式建筑PC生產線室內空氣質量在線監測系統。

1 系統總體結構及工作原理

裝配式建筑PC生產線室內空氣質量在線監測系統是以STM32單片機為控制核心，利用無線網絡和傳感技術、智能化技術和通信技術等新技術，將數據通信模塊、數據分析模塊、用戶中心接口模塊、報警顯示模塊集為一體，采用模塊化的設計方法，實現控制系統的模塊化管理[6-8]。該監測系統主要由STM32單片機、溫濕度檢測模塊、甲醛檢測模塊、PM2.5檢測模塊、報警顯示模塊等組成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 監測系統結構框圖

當啟動電源開關按鈕，系統預熱2 s后自動進入檢測模式，通過傳感技術檢測PC生產線室內空氣中的溫濕度、甲醛濃度、TVOC濃度、PM2.5和PM10粉塵顆粒，結合通信技術將實時檢測的數據傳輸至控制器進行分析處理，并將處理后的結果顯示在人機交互界面上[9-10]，使監測人員根據監測情況及時處理問題，保證裝配式建筑PC生產線的室內空氣質量。

2 系統硬件設計

2.1 檢測模塊

此設備的空氣質量檢測模塊是一款集CO2、激光粉塵、溫濕度、TVOC及甲醛于一體的綜合型氣體質量檢測傳感器，可以對所處環境的空氣質量進行實時監測，并通過一定的協議格式輸出數據。工作電壓為5 V，工作溫度為-10 ℃～60 ℃，工作濕度為5%RH～95% RH，采用485接口通信方式。此模塊的兩個通信端口與STM32的PB10和PB11端口相連接，電源端口接控制板上的5 V端口和接地端口。此檢測模塊使用方便，具有良好的穩定性，可以廣泛應用于各種場所，其電路圖如圖2所示。

圖2 檢測模塊電路圖

2.2 顯示報警模塊

顯示報警模塊主要用來接收檢測信號，將STM32分析運算后輸出的電信號轉換成數字信號在顯示屏上顯示出來，并通過兩條通信線傳遞信號實現故障報警。

將STM32的PA0～PA7端口與LCD1602液晶顯示屏的D0～D7數據端口連接，用于輸出顯示數據和控制命令。STM32的PB5和PB6端口分別連接液晶顯示屏的寄存器端口和讀寫端口，PA8端口連接E使能信號端，VO是電位器端口，BLA和BLK是背光源正負極，用來調節顯示屏的工作狀態。LCD1602液晶模塊使用外接的電位器來調節顯示屏對比度，使顯示模塊有更大的對比調節范圍。此顯示報警模塊電路圖如圖3所示。

圖3 報警模塊電路圖

此報警模塊采用高電平觸發，工作電壓為3.3 V，I/O口與STM32的PB7端口連接。當STM32檢測到超出范圍的電信號時，控制板上的報警燈便會亮起，當信號傳輸至報警模塊時則蜂鳴器報警。

3 系統軟件設計

在線監測軟件利用STM32編程語言，可以實現裝配式建筑PC生產線在線監測、信號傳輸、顯示報警燈等一系列功能。

軟件編程可以將檢測到的數據通過485通信線傳遞到顯示屏，顯示總揮發性有機物濃度、甲醛濃度、PM2.5濃度、PM10濃度、溫度、濕度等各參數。可以通過手動控制按鍵進行翻頁，顯示數據時，按下按鍵2對該頁面顯示的數據進行設置，若3 s內沒有再按按鍵，則會返回到顯示頁面。在設置頁面，按下按鍵1減小設置值，按下按鍵2增加設置值，同時按下按鍵1和按鍵2則切換設置最大值和最小值。軟件編程引腳定義如下：

//LCD_1602

RS_Pin pin_b5

RW_Pin pin_b6

EN_Pin pin_a8

Data_0 pin_a0

Data_1 pin_a1

Data_2 pin_a2

Data_3 pin_a3

Data_4 pin_a4

Data_5 pin_a5

Data_6 pin_a6

Data_7 pin_a7

按鍵1 pin_b12

按鍵2 pin_b13

蜂鳴器 pin_b7

串口tx pin_b10

串口rx pin_b11

LED1 pin_b14

LED2 pin_b15

4 監測系統測試與分析

4.1 硬件測試

按照監測系統總體設計方案的技術要求，設計了裝配式建筑PC生產線室內空氣在線監測系統電路原理圖，將檢測模塊、控制單元、報警顯示模塊及所需的各元件焊接并組裝成監測控制板，然后用萬用表測試監測控制硬件電路的連接狀態。焊接組裝后的監測系統硬件如圖4所示。

圖4 監測系統硬件圖

用萬用表的紅、黑表筆來分別測試電路板上的每條走線，測量得到每條線路上的電阻值都非常小，證明線路連接完好無損沒有斷路現象。

4.2 軟件調試

利用Keil軟件將編寫好的畜牧裝備小車模型控制程序調試完畢，通過PZ-ISP燒錄軟件將調試完的程序燒錄至單片機，利用單片機開發板進行實驗測試，測試結果同理論一致。

5 結論

1）以裝配式建筑生產線室內空氣為研究對象，以STM32單片機為控制核心，利用無線網絡和傳感技術、智能化技術和通信技術等新技術，將數據通信模塊、數據分析模塊、用戶中心接口模塊、報警顯示模塊集為一體。通過傳感技術檢測PC生產線室內空氣中的溫濕度、甲醛濃度、TVOC濃度、PM2.5和PM10粉塵顆粒，將實時檢測的數據傳輸至控制器進行分析處理，處理后的結果顯示在人機交互界面上，使監測人員能夠根據監測情況及時進行處理，保證裝配式建筑PC生產線的室內空氣質量。

2）監測系統測試結果表明：硬件線路連接完好無損沒有斷路和短路現象，軟件程序實驗測試結果與理論分析一致。