| 标题 | 基于嵌入式的建筑工地环境监测系统设计 |
| 范文 | 武风波 张会可 吕茜彤 摘 要： 城市建设中建筑扬尘对环境中PM2.5浓度影响较大，设计一套建筑工地环境监测系统，实现对建筑工地环境的实时监测。基于嵌入式技术、传感器技术，设计环境数据采集节点、监测终端，设计数据监测服务器三部分组成二级监测网络。数据采集节点与监测终端之间通过WiFi无线通信方式实现数据传输，监测终端与数据监测服务器之间通过3G网络构建数据连接。监测系统可以实现建筑工地环境参数及图像的实时采集和报警，性能稳定，且实现数据的远程发送。系统设计合理、安装方便、节能环保、具有良好的可扩展性，能够满足建筑工地安全性、可靠性的需求，实现建筑工地环境情况的监测、报警。 关键词： 建筑环境； PM2.5； ARM； STM32； WiFi； 无线监测 中图分类号： TN931+.3?34； TN919.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0072?05 Abstract： Because the construction dusts produced in the process of urban building have a great influence on concentration of PM2.5 in the environment， a construction site environmental monitoring system is designed to realize the real?time monitoring for the construction site environment. The environment data acquisition node， monitoring terminal and data monitoring server are designed on the basis of embedded technology and sensor technology to constitute a two?stage monitoring network. The data transmission between data acquisition node and monitoring terminal is realized with WiFi wireless communication mode， and the data connection between monitoring terminal and data monitoring server is constructed by means of 3G network. The monitoring system can realize the real?time acquirement and alarming of parameters and image data of construction site environment， and implement the remote sending of data， and has stable performance. The system has reasonable design， easy installation， energy saving， environment protection and perfect expandability， can meet the requirements of construction site for safety and reliability， and realize the monitoring and alarming for the environmental conditions of construction site. Keywords： construction environment； PM2.5； ARM； STM32； WiFi； wireless monitoring 0 引 言 近年来，全国部分城市先后持续出现大范围雾霾天气。有关数据显示污染范围覆盖近270万km2，影响近6亿人口，波及17个省市，对大气环境、交通安全带来极大威胁，严重影响人们的身体健康，给我国经济发展造成巨大压力，引起相关部门的高度重视[1]。 建筑工地情况相对复杂，建设过程中存在噪声、有害气体[2]、扬尘等问题，会对周围环境造成影响，给周围居民的生活带来不便，同时污染对健康存在潜在威胁[3]。然而建筑工地相对分散，并且数量较多，所以监管复杂，成本较高[4]。为了解决建筑工地监管问题，减少建筑工地对环境的污染，有效监管建筑工地噪声、气体污染问题，考察建筑工地现场，结合嵌入式、物联网、无线通信技术、无线传感器，设计一套节能环保、性能稳定、操作简单，且能够实现数据的远程共享的建筑工地环境监测系统[5]具有实际的应用价值。 1 系统总体设计方案 本建筑工地环境监测系统分为二级网络，三个层次[6]，即数据采集节点、监测终端和环境监测数据服务器这三部分，多个数据采集节点与监测终端通过wifi构建一个建筑工地的局域网，实现数据采集节点到监测终端的数据传输，监测终端通过3G无线传输模块与远程服务器进行数据交换。系统组成如图1所示。 2 硬件设计 本系统硬件结构分为数據采集节点和监测终端两部分。 2.1 数据采集节点硬件设计 数据采集节点是建筑工地环境的采集部分，负责采集噪声、PM2.5、扬尘、硫化氢等数据，并将数据通过无线模块传输给监测终端。数据采集节点以STM32为核心，拓展存储器、数据采集传感器、电源、无线通信等部分。数据采集节点硬件框图如图2所示。 （1） 核心处理STM32 STM32专为低功耗、高性能、低成本的嵌入式应用设计。本系统选用的STM32属于STM32F103“增强型”系列，时钟频率高达72 MHz，是同类产品中性能最高的，从闪存执行代码，功耗36 mA，是32位市场上功耗最低的产品。内核属于ARM32位的Cortex?M3 CPU，3种低功耗模式：休眠、停止、待机模式。闪存程序存储器的存储范围为32～128 KB，SRAM的范围为6～20 KB， A/D端口有18个通道，可测量 16个外部和2个内部信号源。具有通道DMA控制器，支持的外设有：定时器，ADC，SPI，I2C和USART[7]。具备串行线调试和JTAG接口，具有功耗低、接口多等优点。本设计中选择的型号是STM32F103ZET6。 （2） 噪声传感器模块 在设计中，选择的噪声传感器模块为TZ?2KA型噪声传感器。该传感器操作简单、高声强动态范围、采集声频范围宽。其工作频率为20 Hz～20 kHz，采集动态范围是20～140 dB，灵敏度保持在50 mV/Pa水平，并且它具有体积小、重量轻、安装灵活等优点，其监测的声强能量范围符合国家噪声管理标准规定的全部要求，对声音频率的监测范围涵盖了人耳能够感应的全部频率。同时该传感器输出的信号为标准电压信号，这样与其他种类的测量模块和数据采集模块就可以方便地组成各种需要的噪声监测系统。能够较好地满足汽车检测线噪声的自动测量；声源定位、噪声定量分析、噪声治理及声学研究；机械设备的反常早期发现；环境噪声的定点在线监测、化验液体的乱流；石油勘探的噪声测井仪；旋转机械振动噪声监测等应用系统的设计需求。 （3） PM2.5传感器模块 在设计中，选择的PM2.5传感器模块为OPC?N2型PM2.5传感器。它是一款便于携带、性能稳定、测试精度高、操作方便、响应时间快的轻便型装置。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5 μm的微颗粒物，虽然它在空气中的含量很少，但却对视线能见度和大气环境产生重大影响。相比其他粒径较大的微颗粒物，PM2.5直径相对较小，长期悬浮在空气中，不易降解，而人类的身体结构对PM2.5并没有过滤功能，有毒气体溶解在血液中，对社会环境质量和人体健康的危害是不可估计的。OPC?N2采用新一代粒子计数算法，综合运用激光检测技术、空气动力学、光机电一体化研发、数字信号处理，能够准确快速地检测到周围大气中微颗粒物的粒径分布和粒子数，价格低廉有利于进行多点分布检测，从而形成密集的检测网路，为研究空气污染状况提供依据。 （4） 扬尘传感器 在设计中，选择的扬尘传感器模块为PMS5003型扬尘传感器。它是一款测量数据稳定可靠、内置风扇、数字化输出、集成度高、响应快速、场景变换响应时间小于10 s、便于集成、串口输出（或I/O 口输出可定制）的扬尘传感器。PMS5003采用激光散射原理，当检测位置有激光照射时，颗粒物会产生微弱的光散射，由于在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有关，所以通过不同粒径的波形分类统计和换算公式就可以得到不同粒径的颗粒物的数量浓度，按照一定方法得到与官方单位统一的质量浓度，该传感器能够监测到空气中0.3～10 μm悬浮颗粒物浓度，如房屋灰尘、霉菌、香烟烟尘等。 （5） WiFi通信模块 在数据采集节点和监控终端之间采用WiFi网络进行数据传输，在采集節点1、节点2、节点n和监测终端上分别连接一个WiFi模块，它们之间组成一个基于Ad Hoc的无线局域网，考虑到建筑工地环境中采集节点和监测终端的距离有限，采用这种方式既不用考虑布线成本，又可以保证数据的有效传输。WiFi是作为数据采集节点和监测终端数据传输的核心模块，基于IEEE 802.11n协议设计。传输延时短、效率高，达到很好的数据传输效果。 （6） 硫化氢传感器 在设计中，选择的硫化氢传感器为MQ135型传感器。它既能灵敏地感应硫化物、氨气、苯系蒸汽，又能精确地检测烟雾等其他有害气体，是一款适用于多种场合的低成本传感器。MQ135传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2。当传感器所处的环境中存在有害气体时，其电导率发生变化，污染气体的浓度越高，其电导率越大。本文可以设计简单的电路将传感器电导率的变化转变为与该气体浓度对应的输出信号。MQ135对污染气体的感应程度浓度范围为10～1 000 ppm，适用于多种环境下的有害气体监测。 （7） 电源模块 设计中选用多节锂离子电池串联为数据采集节点供电，电池组输出电压为8.4 V，采用LM2596降压稳压芯片设计8.4 V?5 V电压转化电路，将电池组电压转换成核心板的工作电压。 2.2 监测终端硬件设计 监测终端以ARM11为核心，拓展存储器、报警单元、显示单元、3G传输模块、WiFi模块、摄像头模块和GPS模块，实现多个数据采集节点采集数据的无线接收、汇总、显示，并通过3G网络实现数据的远程发送，将数据上传至环境监测数据服务器。监测终端组成框图如图3所示。 （1） 芯片选择 终端设计中选用三星公司的S3C6410核心处理器，该处理器是基于ARM11内核的高性能的RISC微处理器，它在移动电话等领域应用广泛，其硬件性能为3G网络提供很好的通信服务。S3C6410硬件加速器作用强大，能够对图像和视频进行处理显示等操作。ARM11架构的S3C6410内部资源丰富，有8路高达10位精度的ADC等。外部接口多样，有GPIO口、LCD接口、USB口、串口，有利于进行系统扩展。S3C6410功耗低，在电源供电情况有限的条件下，可以自由选择工作在省电模式，同时还可以根据主频实际需求选择400 MHz，533 MHz，667 MHz三种操作频率。ARM是嵌入式系统的重要组成部分，采用“核心板+底板”的设计结构。凭借其体积小、性价比高、功能强大等优点，广泛应用在手机电脑等智能终端领域中。 （2） 摄像头模块 在设计中，选择的摄像头模块为ZC301摄像头， 用于建筑工地环境的图像采集，ZC301与核心板S3C6410通过USB接口连接，USB接口既作为数据交换接口，又作为供电接口。 （3） 3G模块 本设计选用的3G无线通信模块是华为公司的E261 3G模块，通过USB口与OK6410相连，用来与环境监测数据服务器进行网络连接。 （4） 报警单元与显示单元 报警电路通过蜂鸣器电路设计实现，当采集的数据不在程序设定的范围内时，蜂鸣器发出声音，实现数据异常报警。终端显示屏采用OK6410配套的4.3寸触摸TFT彩色液晶显示屏，显示单元将接收到的PM2.5数据、噪声数据、扬尘数据、硫化氢数据及GPS数据和图像数据等显示在界面上。 （5） GPS模块 本设计中选用的GPS模块为UBLOX NEO?6M GPS定位模块，它功能全面、性能卓越、功耗低，能够满足精确定位及工地消费需求。GPS模块获得建筑工地监测地点的经纬度，便于监管人员随时定位到发生数据异常的施工地点。 2.3 监测数据服务器 环境监测数据服务器[8]通过网络接收监测终端通过3G网络上传的环境数据，服务器的正常启动需要安装花生壳客户端，完成IP映射配置，这样服务器就会在公域网可见。 3 软件设计 本系统软件分为数据采集节点软件设计和监测终端软件设计两部分。数据采集节点采用Keil开发环境，监测终端基于Linux嵌入式系统开发，在Linux系统下搭建交叉编译环境，使用Qt编程实现监测终端的界面显示等功能。 3.1 数据采集节点软件设计 数据采集节点软件流程图如图4所示。 数据采集节点软件设计编译环境采用Keil μVision 5，编写语言采用C语言。软件控制STM32读取各传感器采集的数值大小，将其按照一定的数据封装格式封装在TCP数据包中，数据包按顺序存入数据采集节点采集的噪声、PM2.5、硫化氢、扬尘等数据。接着控制数据发送模块与监测终端组建局域网[9]，通过局域网Ad Hoc将数据包发送给监测终端，监控终端接收数据之后如果返回“11”，则表示接收数据成功，否则继续发送，重复此过程，实现数据采集节点与监测终端的数据通信。 3.2 监测终端软件设计 监测终端软件由两部分组成：数据采集与解析和界面显示设计。监测终端软件的功能主要分为数据采集节点上传数据的接收、监测终端GPS和工地图像信息的获取及信息显示等功能模块。监测终端软件流程见图5。 （1） 数据采集与解析 监测终端解析、采集软件主要分为TCP数据接收解析、GPS与图像数据采集两部分，主要采用Linux C语言开发实现。监测终端接收到数据采集节点TCP数据包后进行解析，所接收的数据包由4部分组成：数据包大小、数据采集节点编号、工地环境数据、数据包结束标志。监测终端的TCP服务器程序监听端口，接受数据采集节点TCP连接请求，接收数据采集节点数据。根据数据包大小，接收完全部的数据包，对数据包按照“数据采集节点编号，噪声、PM2.5，扬尘、硫化氢，数据结束标志位”格式进行解析，然后显示在终端界面上。同时终端外部连接GPS、图像模块，程序控制进行GPS数据读取、解析以及图像获取操作，采集到的图像和GPS数据UI显示在终端界面上。 （2） 界面显示设计 终端软件的界面显示设计使用Qt开发语言编程实现，Qt是Linux系统下界面开发的重要工具，它在Window，iOS，Linux下具有很好的移植性，使用Qt开发程序和编写界面显示设计，首先需要在Linux系统下搭建Qt集成开发环境[10]。 本终端软件界面设计中，所要显示的数据主要包括三大部分：建筑工地图像数据、建筑工地环境指标数据、GPS定位数据。显示的建筑工地环境指标数据主要包括噪声、PM2.5、扬尘、硫化氢等。 本系统设计中，数据采集节点有三个，界面可以分别显示三个采集节点的数据变化曲线，所显示的环境指标数据是一段时间内三个监测采集节点采集数据的变化范围，同时终端会根据我国环境指标相关规定，判断环境状态，并显示出来。所接收到的环境数据会通过嵌入式数据库存储起来，用于后期环境状态查询操作。 4 系统测试 在建筑工地环境监测系统中，数据的采集与接收、系统报警、界面显示要满足很高的实时性要求。WiFi作为数据采集节点与监测终端通信的核心模块，其稳定性直接影响整个系统数据发送和接收的稳定性。 实验室条件下，对系统WiFi模块数据传输的稳定性和实时性、GPS定位信息的精确性进行测试。测试过程中，采用三个数据采集节点与一个监测终端相连接，监测终端界面显示数据采集节点通过WiFi周期性发送到监测终端的噪声、PM2.5、扬尘、硫化氢等数据，延时小于1 s，并绘制成动态曲线，可通过下拉菜单栏选择想要查看的节点编号；同时GPS模块能够实现精准定位，为建筑工地的监管提供便利。经过多天测试，WiFi组建的局域网通信具有较强的稳定性，可实现噪声、PM2.5、揚尘、硫化氢等数据的可靠传输。 5 结 语 建筑工地施工环境的好坏直接影响城市空气质量和人类身体健康，基于嵌入式技术、物联网技术和无线通信技术，设计实现建筑工地环境监测系统，可以完成建筑工地环境各参数、GPS及图像数据的实时监测与报警，对建筑工地的监督与城市环境治理具有一定的实际意义。 参考文献 [1] 徐捷，张懿华，潘骏，等.建筑工地颗粒物实时监控试点应用[C]//中国环境科学学会2013年学术年会.北京：中国环境科学学会，2013. [2] 何祥源.建筑施工现场环境监测与环境控制[J].中国科技博览，2009（11）：289. [3] 刘青，来跃深，高青，等.建筑工地环境监测终端设计[J].中国科技博览，2015（26）：64. [4] 王德湖，王宁.有毒气体中毒及防治[J].建筑安全，1997（11）：42?43. [5] 田军委，邓晓荣，程洪涛，等.智能粉尘浓度检测系统设计[J].科技创新导报，2015（32）：24?25. [6] 徐爽，易东.基于物联网的智能家居空气质量监测系统设计[J].电子制作，2016（11）：43. [7] 滕守明，鲁奕，李响.基于STM32芯片及CAN总线在汽车上的应用[J].无线互联科技，2013（3）：224. [8] 贾鹏辉.基于ARM的智能家用空气质量检测系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，2015. [9] 贾颖，邵广贤，邓思敏，等.基于WiFi技术的井下环境监测系统设计[J].煤炭技术，2015，34（4）：314?316. [10] 武风波，周云如.基于ARM的矿井环境监测系统设计[J].西北大学学报（自然科学版），2015，45（4）：551?554. |
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