基于MQTT技術的智慧工地噴淋控制系統的設計

唐詠 祝驊

關鍵詞：智慧工地；噴淋系統；MQTT

1 背景

當前，我國城鎮化速度不斷加快，移動互聯網、物聯網、AI、BIM、監控模擬等新興技術在城市級的應用，已經從技術層面轉向運營管理，在這樣的背景下，各行各業開始轉型升級，運用科學技術進行數字化賦能。在建筑施工領域，智慧工地應運而生[1]。2020年5月6日，江蘇省住房和城鄉建設廳發布《關于推進智慧工地建設的指導意見》（蘇建質安〔2020〕76號文），提出了“采集、集成和應用散落在項目、企業、政府等各個層級的建筑施工海量數據，利用互聯網、物聯網、大數據分析等技術助力建筑產業的數字化、信息化變革，驅動產業轉型升級，建設形成涵蓋現場應用、集成監管、決策分析、數據中心和行業監管等五個方面內容的智慧工地。”的要求[2]。

在建筑工程領域，在土方開挖、地下室、主體結構以及裝飾裝修等施工階段均會產生不同程度的施工揚塵污染，如何合理監測并控制施工揚塵既是施工企業的本職工作，也是社會民眾關注的焦點[3]。工地揚塵是城市空氣污染的主要來源之一，物聯網技術為智慧工地的揚塵控制提供了有力工具，利用物聯網技術，可以對建筑工地內部及周邊環境的揚塵數據進行檢測，通過大數據分析，制定抑制策略。根據河海大學公共管理學院施嘉怡的研究，在南京市8個工地進行調研，在11項抑制揚塵的措施中，利用物聯網技術實現智能監控、自動噴淋控制的措施，抑制揚塵效果最好[4]。

2 控制要求

噴淋設備是工地現場抑制揚塵的主要手段，主要包括霧炮機、圍擋噴淋和塔吊噴淋。根據各地政策法規，對噴淋開啟和關閉有不同的要求，有的按時間段，有的根據周圍環境數據。傳統的噴淋控制是專人每天按時開啟和關閉，通常是保安、值班員等。由于基本職業素養有限，要完全按照要求執行到位很難保障。后面出現了一種給電磁閥加裝PLC，通過定時來開關的方案。但這種方案增加成本較多，且要修改開關策略相當麻煩，普通的工地電工無法勝任。因此提出了一種設計一種低成本的、無源的、能夠方便修改噴淋策略的噴淋控制器的需求。

經過前期的預研，已經選定了采用LTE Cat.1和LoRa 技術組建物聯網系統，通過Spring Boot 框架和Vue.js框架架設云平臺，系統結構如圖1所示。

3 系統結構

本控制系統由云端平臺、客戶端、LoRa網關、噴淋控制器及軟件設計構成，如圖2所示。

3.1 云端平臺

云端平臺做大的優勢是可以讓用戶通過網頁直接進行數據的讀取和邊緣計算。用戶在平臺完成數據的可視化、數據分析、數據管理及動作觸發等工作。數據可視化界面也可以生成互聯網的地址，通過鏈接進入云端畫面，可以實現實時查看數據的功能。也可以提供手機App供用戶隨時隨地查看工地環境數據，能讓用戶及時甚至提前做出判斷。

其中云服務器可以采購阿里云、騰訊云等的服務器，在其中部署MQTT服務器和數據庫服務器，并且運行定時程序。本系統選用的是阿里云，阿里云是面向物聯網技術設計的開放式云平臺，理論上可以適配多種通信協議，本設計采用的是MQTT協議。阿里云物聯網平臺可以設計組態界面，使得揚塵控制系統更加可視化。本系統中數據庫服務器選用的是MySQLv8.0.31；MQTT 服務器選用基于MQTT5.0 的EMQXv5.0.26；定時程序用C#語言開發，根據數據庫的設定在相應的時間向MQTT服務器發送打開或者關閉某工地的某個噴淋設備的消息。

客戶端程序是基于WPF框架開發的一個應用，用戶基于自身權限設定各工地噴淋控制器的啟停策略。客戶端可以運行在任何互聯網環境的終端上。

3.2 LoRa 網關

網關主要負責收集揚塵傳感器信息，向噴淋控制器發送信息，以及與云平臺進行數據交換。LoRa網關是一個結合了LoRa模塊的PC，也可以是嵌入式系統。LoRa 技術通信覆蓋距離達30km、傳輸速率可達100bps、性價比高，可以滿足工地揚塵系統的長距離信息的傳輸與控制。利用LoRa技術構建的無線傳感網絡包含了數據采集節點（為終端節點）和匯聚節點兩部分。數據采集節點實現揚塵傳感器多點的監測，匯聚節點接收所有數據采集節點的數據。本系統成本低，布局方便，適合工地惡劣的工作環境，運行穩定可靠。

數據采集節點由STM32微控制器、揚塵傳感器和Cat.1組成。三者之間采用串口方式進行通信。匯聚節點初始化完成之后構建MQTT鏈接包，將數據采集節點連接到云平臺的云端設備。云端設備對數據進行解析、顯示和保存，并在異常時及時報警。所有節點采用干電池供電，無須另外布線，設備部署過程簡單方便。

另外，在網關上運行MQTT客戶端軟件，監聽云服務器發來的消息，解析消息來向噴淋控制器發送控制信號。LoRa網關結構如圖3所示。

3.3 揚塵傳感器

本設計采用揚塵傳感器如圖4所示。該傳感器具有牢固穩定的金屬結構，基于光學散射原理，搭載工業級長壽命線性激光器；能滿足室外環境-30～70℃溫度要求；采用泵吸式采樣方式，氣流穩定，安全可靠；檢測量程為0～1000μg/m?可以實現顆粒物PM1.0、PM2.5、PM10、TSP質量濃度的準確輸出；工作電流小于150mA。同時，兼容模擬信號輸出與串口輸出，可根據自身需求進行標定。

3.4 噴淋控制器

噴淋控制器主要負責接收網關信號，驅動水泵或者電磁閥進行噴淋除塵。淋控制器是一個自帶電源的LoRa電磁閥，無須布線，方便安裝。以STM32單片機為核心，配置LoRa模塊、繼電器控制電路。電源部分采用大容量鋰電池，配置充放電電路，可以實現充電一次3個月以上的使用要求，非常適合塔吊這種不易布線的場合。

噴淋控制器由電源系統、通信控制系統、電磁閥構成，如圖5所示。電源系統采用12V鋰電池組給電磁閥供電、大容量18650電池組給通信控制系統供電，滿足單次充電3個月運行的要求。通信控制系統選用STM32F103C8T6位MCU核心，選用澤耀科技A39CT400A22S1a的LoRa模塊，配合繼電器控制電磁閥的通斷。外殼采用IP68的通用防水盒設計。

3.5 監控系統設計

基于LTE Cat.1和LoRa工地噴淋控制系統的設計當中，軟件部分主要包括了數據采集、傳輸及顯示，軟件系統示意圖如圖6所示。

數據采集節點程序主要是揚塵數據的采集和處理。數據匯聚節點主要是云組態畫面的設計，以及數據顯示及報警。

4 MQTT 通信

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸），是一種基于發布/訂閱（publish/sub?scribe） 模式的“輕量級”通信協議，如圖7所示。可以用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通信協議，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。基于這些特點，MQTT技術可以很好地符合建筑工地網絡環境較差、通信數據量小、硬件性能需求不大的應用場景。

4.1 MQTT 服務器選型

MQTT應用包含服務器和客戶端，其中MQTT服務器僅僅負責消息的轉發，部署完成即可，采取默認設置，不需要做任何開發。本系統選用基于MQTT5.0 的EMQX v5.0.26 for Windows。

4.2 MQTT 客戶端開發

MQTT本身僅僅是一種消息轉發機制，業務邏輯主要由各個MQTT客戶端實現，本系統需要開發兩個MQTT客戶端應用。一是運行在云服務器端的定時程序，該程序定時查詢數據庫，發現需要對某噴淋設備進行操作時，向MQTT服務器發送相應消息，MQTT服務器會將該消息轉發至需要操作的設備相關的網關。二是網關軟件，該軟件運行在工地現場的設備，本系統采用的是Windows10系統的PC機，配備LoRa模塊，根據實際情況也可以是成本更低的嵌入式系統。網關軟件主要接收已訂閱的和本工地相關的MQTT消息，解析消息內容來對噴淋設備進行控制。上述兩個軟件都采用C#語言，基于.net Core 6.0框架開發[5]。

4.3 MQTT 消息的設計

本系統主要通過消息驅動實現業務邏輯，MQTT 消息內容包含主題（Topic） 和負載（Load） 。本系統采用工地名稱作為主題，各個網關僅訂閱跟自身工地相關的消息，不會收到其他工地的消息。消息負載采用JSON格式，內容包括需要控制的噴淋閥的ID，具體動作等。

5 總結與改進

本文設計了一套基于MQTT技術的智慧工地噴淋控制系統，用戶可以在互聯網上任意設定工地噴淋系統的開關策略，相對于傳統的人工控制更穩定可靠，節約人力。而且本系統具有相當好的擴展性，只需根據要求引入新的業務邏輯可以輕松完成控制其他設備的要求。比如同樣的邏輯可以控制霧炮機的啟停，以及接入揚塵檢測設備可以實現噴淋-揚塵聯動等。本設計實現了工地揚塵信息遠距離傳輸和監控的功能，并且系統功耗比較低。解決了傳統揚塵監測系統布線復雜、傳輸距離短、智能化程度低等問題。系統結合了比較成熟的云平臺，簡化了設計開發過程，降低了開發成本。物聯網的普及也使得數據監控更加靈活。

本系統的噴淋控制器，受到了無源設計要求的限制。如果可以采用有源設計，可以大大簡化電源部分，減少體積巨大的電池組，整體體積進一步優化，且可以不受使用時間的限制。