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

2 子節(jié)點設計

子節(jié)點硬件結構主要由數(shù)據采集節(jié)點和監(jiān)測終端組成。數(shù)據采集子節(jié)點作為建筑工地環(huán)境的數(shù)據采集部分，負責將采集到的 PM2.5、溫濕度、風速、風向等數(shù)據通過無線通信模塊傳輸?shù)皆破脚_服務器中。監(jiān)測終端基于機智云服務器， 數(shù)據可在電腦軟件和手機APP 上查詢。數(shù)據采集子節(jié)點系統(tǒng)以 STM32F429 芯片作為核心處理器，外接外部存儲器、數(shù)據傳感器、電源、LCD 顯示屏等。整體硬件框圖如圖 2 所示。

圖 2 數(shù)據采集子節(jié)點硬件框圖

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(fā)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(shù)字溫濕度傳感器，采用標準單總線接口，檢測環(huán)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(yōu)點 [6]。

2.1.3 氣象參數(shù)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(yōu)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(xiàn)象，內部潤滑軸承系統(tǒng)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(shù)據通信協(xié)議，方便處理數(shù)據 ；采用 CRC16 校驗碼進行校驗，可保證數(shù)據準確性 [8]。

2.2 網絡通信設計

將數(shù)據采集節(jié)點與環(huán)境監(jiān)測數(shù)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(wěn)定，功耗低，以極低的成本和風險實現(xiàn)硬件智能化，將產品接入互聯(lián)網 [9]。機智云系統(tǒng)架構如圖 4 所示。

2.3 軟件設計

系統(tǒng)軟件主要用到 Keil MDK5 開發(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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)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(shù)據交互，無需通過 WiFi 即可在手機上進行數(shù)據接收與查看。手機打開 APP 接收到的數(shù)據如圖 6 所示。

4 結 語

建筑工地施工環(huán)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(fā)技術、傳感器、物聯(lián)網、云計算等技術設計出的智慧建筑工地遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對建筑工地的監(jiān)管和城市環(huán)境的治理有著重要的現(xiàn)實意義。