基于物联网的智慧建筑工地远程环境监测系统

引 言

工地在施工过程中产生的有害气体、噪音、灰尘对周围居民的生活和健康造成了极大影响 [1]。文献 [2] 提出了一种工地监控方面的嵌入式系统。针对日新月异的移动网络，文献 [3] 提出了一种基于物联网的监测系统。为切实减缓建筑施工项目带来的种种环境污染，对其进行有效监管，实地考察建筑工地情况，结合嵌入式开发、传感器、物联网、云计算等技术，设计了一套稳定、可靠、安全的智慧建筑工地远程环境监测系统，该系统具有重要的应用价值和社会价值。

1 整体设计

智慧建筑工地远程环境监测系统主要分为数据采集子节点、监测数据终端和远端网络等，多个子节点采集数据后上传至云端网络，监测端可通过 4G 无线网络访问云端并进行数据交换。系统框架如图 1 所示。

2 子节点设计

子节点硬件结构主要由数据采集节点和监测终端组成。数据采集子节点作为建筑工地环境的数据采集部分，负责将采集到的 PM2.5、温湿度、风速、风向等数据通过无线通信模块传输到云平台服务器中。监测终端基于机智云服务器， 数据可在电脑软件和手机APP 上查询。数据采集子节点系统以 STM32F429 芯片作为核心处理器，外接外部存储器、数据传感器、电源、LCD 显示屏等。整体硬件框图如图 2 所示。

图 2 数据采集子节点硬件框图

2.1 传感器设计

2.1.1 PM2.5 传感器

PM2.5 灰尘传感器使用夏普光学灰尘浓度检测传感器， 型号为 GP2Y1010AU0F[4]。该传感器由红外线发光二极管（IRED）和一个光电管成对角布置而成，利用光敏原理通过检测空气中尘埃的反射光来判断灰尘浓度。PM2.5 传感器电路原理如图 3 所示。

2.1.2 DHT11温湿度传感器

选用文献 [5] 中提及的 DHT11 温湿度传感器进行温湿度检测，它是已校准的数字温湿度传感器，采用标准单总线接口，检测环境温湿度十分方便。该传感器包括一个电阻式感湿传感器和一个 NTC 测温元件，具有抗干扰、体积小、功耗低等优点 [6]。

2.1.3 气象参数传感器

RS-FSJT-N01 风速变送器和 RS-FX-N01 风向变送器小而轻，便于携带和组装，可以有效获得风速或风向信息。风速变送器外壳由聚碳酸酯复合材料制成，风向变送器外壳采用优质铝合金型材，外部进行电镀喷塑处理，能够保证变送器长期使用无锈琢现象，内部润滑轴承系统可确保准确采集信息[7]。

采用 RS 485 串口与上位机通信，使用 ModBusRTU 作为数据通信协议，方便处理数据 ；采用 CRC16 校验码进行校验，可保证数据准确性 [8]。

2.2 网络通信设计

将数据采集节点与环境监测数据服务器进行网络连接。本设计采用银尔达公司推出的广和通 G510。该模块性能稳定，功耗低，以极低的成本和风险实现硬件智能化，将产品接入互联网 [9]。机智云系统架构如图 4 所示。

2.3 软件设计

系统软件主要用到 Keil MDK5 开发环境与嵌入式 RTOS操作系统。软件代码分为 PM2.5 灰尘传感器模块代码、温湿度传感器模块代码、气象参数测定模块代码、液晶显示模块代码、机智云 4G 模块代码。软件流程如图 5 所示。

3 仿真及测试

在智慧建筑工地远程环境监测系统中，数据采集和接收、界面显示等需要满足较高的要求。使用机智云模组进行GPRS 数据交互，无需通过 WiFi 即可在手机上进行数据接收与查看。手机打开 APP 接收到的数据如图 6 所示。

4 结 语

建筑工地施工环境的情况与一个城市的空气质量和该城市居民的生活健康息息相关，基于嵌入式开发技术、传感器、物联网、云计算等技术设计出的智慧建筑工地远程环境监测系统对建筑工地的监管和城市环境的治理有着重要的现实意义。