1、 基于嵌入式的建筑工地環境監測系統設計 武風波張會可呂茜彤摘 要： 城市建設中建筑揚塵對環境中PM2.5濃度影響較大，設計一套建筑工地環境監測系統，實現對建筑工地環境的實時監測。基于嵌入式技術、傳感器技術，設計環境數據采集節點、監測終端，設計數據監測服務器三部分組成二級監測網絡。數據采集節點與監測終端之間通過WiFi無線通信方式實現數據傳輸，監測終端與數據監測服務器之間通過3G網絡構建數據連接。監測系統可以實現建筑工地環境參數及圖像的實時采集和報警，性能穩定，且實現數據的遠程發送。系統設計合理、安裝方便、節能環保、具有良好的可擴展性，能夠滿足建筑工地安全性、可靠性的需求，實現建筑工地環境情況的

2、監測、報警。Key： 建筑環境； PM2.5； ARM； STM32； WiFi； 無線監測： TN931+.3?34； TN919.5 ： A ： 1004?373X（2017）20?0072?05Abstract： 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 sys

3、tem 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 da

4、ta 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 a

5、nd 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 construc

6、tion 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 monitoring0 引 言近年來，全國部分城市先后持續出現大范圍霧霾天氣。有關數據顯示污染范圍覆蓋近270萬km2，影響近6億人口，波及17個省市，對大氣環境、交通安全帶來極大威脅，嚴重影響人

7、們的身體健康，給我國經濟發展造成巨大壓力，引起相關部門的高度重視1。建筑工地情況相對復雜，建設過程中存在噪聲、有害氣體2、揚塵等問題，會對周圍環境造成影響，給周圍居民的生活帶來不便，同時污染對健康存在潛在威脅3。然而建筑工地相對分散，并且數量較多，所以監管復雜，成本較高4。為了解決建筑工地監管問題，減少建筑工地對環境的污染，有效監管建筑工地噪聲、氣體污染問題，考察建筑工地現場，結合嵌入式、物聯網、無線通信技術、無線傳感器，設計一套節能環保、性能穩定、操作簡單，且能夠實現數據的遠程共享的建筑工地環境監測系統5具有實際的應用價值。1 系統總體設計方案本建筑工地環境監測系統分為二級網絡，三個層次6，

8、即數據采集節點、監測終端和環境監測數據服務器這三部分，多個數據采集節點與監測終端通過wifi構建一個建筑工地的局域網，實現數據采集節點到監測終端的數據傳輸，監測終端通過3G無線傳輸模塊與遠程服務器進行數據交換。系統組成如圖1所示。2 硬件設計本系統硬件結構分為數據采集節點和監測終端兩部分。2.1 數據采集節點硬件設計數據采集節點是建筑工地環境的采集部分，負責采集噪聲、PM2.5、揚塵、硫化氫等數據，并將數據通過無線模塊傳輸給監測終端。數據采集節點以STM32為核心，拓展存儲器、數據采集傳感器、電源、無線通信等部分。數據采集節點硬件框圖如圖2所示。（1） 核心處理STM32endprintSTM

9、32專為低功耗、高性能、低成本的嵌入式應用設計。本系統選用的STM32屬于STM32F103“增強型”系列，時鐘頻率高達72 MHz，是同類產品中性能最高的，從閃存執行代碼，功耗36 mA，是32位市場上功耗最低的產品。內核屬于ARM32位的Cortex?M3 CPU，3種低功耗模式：休眠、停止、待機模式。閃存程序存儲器的存儲范圍為32128 KB，SRAM的范圍為620 KB， A/D端口有18個通道，可測量 16個外部和2個內部信號源。具有通道DMA控制器，支持的外設有：定時器，ADC，SPI，I2C和USART7。具備串行線調試和JTAG接口，具有功耗低、接口多等優點。本設計中選擇的型號

10、是STM32F103ZET6。（2） 噪聲傳感器模塊在設計中，選擇的噪聲傳感器模塊為TZ?2KA型噪聲傳感器。該傳感器操作簡單、高聲強動態范圍、采集聲頻范圍寬。其工作頻率為20 Hz20 kHz，采集動態范圍是20140 dB，靈敏度保持在50 mV/Pa水平，并且它具有體積小、重量輕、安裝靈活等優點，其監測的聲強能量范圍符合國家噪聲管理標準規定的全部要求，對聲音頻率的監測范圍涵蓋了人耳能夠感應的全部頻率。同時該傳感器輸出的信號為標準電壓信號，這樣與其他種類的測量模塊和數據采集模塊就可以方便地組成各種需要的噪聲監測系統。能夠較好地滿足汽車檢測線噪聲的自動測量；聲源定位、噪聲定量分析、噪聲治理及

11、聲學研究；機械設備的反常早期發現；環境噪聲的定點在線監測、化驗液體的亂流；石油勘探的噪聲測井儀；旋轉機械振動噪聲監測等應用系統的設計需求。（3） PM2.5傳感器模塊在設計中，選擇的PM2.5傳感器模塊為OPC?N2型PM2.5傳感器。它是一款便于攜帶、性能穩定、測試精度高、操作方便、響應時間快的輕便型裝置。PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 m的微顆粒物，雖然它在空氣中的含量很少，但卻對視線能見度和大氣環境產生重大影響。相比其他粒徑較大的微顆粒物，PM2.5直徑相對較小，長期懸浮在空氣中，不易降解，而人類的身體結構對PM2.5并沒有過濾功能，有毒氣體溶解在血液中，對社會環境質量和人體健

12、康的危害是不可估計的。OPC?N2采用新一代粒子計數算法，綜合運用激光檢測技術、空氣動力學、光機電一體化研發、數字信號處理，能夠準確快速地檢測到周圍大氣中微顆粒物的粒徑分布和粒子數，價格低廉有利于進行多點分布檢測，從而形成密集的檢測網路，為研究空氣污染狀況提供依據。（4） 揚塵傳感器在設計中，選擇的揚塵傳感器模塊為PMS5003型揚塵傳感器。它是一款測量數據穩定可靠、內置風扇、數字化輸出、集成度高、響應快速、場景變換響應時間小于10 s、便于集成、串口輸出（或I/O 口輸出可定制）的揚塵傳感器。PMS5003采用激光散射原理，當檢測位置有激光照射時，顆粒物會產生微弱的光散射，由于在特定方向上的

13、光散射波形與顆粒直徑有關，所以通過不同粒徑的波形分類統計和換算公式就可以得到不同粒徑的顆粒物的數量濃度，按照一定方法得到與官方單位統一的質量濃度，該傳感器能夠監測到空氣中0.310 m懸浮顆粒物濃度，如房屋灰塵、霉菌、香煙煙塵等。（5） WiFi通信模塊在數據采集節點和監控終端之間采用WiFi網絡進行數據傳輸，在采集節點1、節點2、節點n和監測終端上分別連接一個WiFi模塊，它們之間組成一個基于Ad Hoc的無線局域網，考慮到建筑工地環境中采集節點和監測終端的距離有限，采用這種方式既不用考慮布線成本，又可以保證數據的有效傳輸。WiFi是作為數據采集節點和監測終端數據傳輸的核心模塊，基于IEEE

14、 802.11n協議設計。傳輸延時短、效率高，達到很好的數據傳輸效果。（6） 硫化氫傳感器在設計中，選擇的硫化氫傳感器為MQ135型傳感器。它既能靈敏地感應硫化物、氨氣、苯系蒸汽，又能精確地檢測煙霧等其他有害氣體，是一款適用于多種場合的低成本傳感器。MQ135傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的SnO2。當傳感器所處的環境中存在有害氣體時，其電導率發生變化，污染氣體的濃度越高，其電導率越大。本文可以設計簡單的電路將傳感器電導率的變化轉變為與該氣體濃度對應的輸出信號。MQ135對污染氣體的感應程度濃度范圍為101 000 ppm，適用于多種環境下的有害氣體監測。（7） 電源模塊設計中

15、選用多節鋰離子電池串聯為數據采集節點供電，電池組輸出電壓為8.4 V，采用LM2596降壓穩壓芯片設計8.4 V?5 V電壓轉化電路，將電池組電壓轉換成核心板的工作電壓。2.2 監測終端硬件設計監測終端以ARM11為核心，拓展存儲器、報警單元、顯示單元、3G傳輸模塊、WiFi模塊、攝像頭模塊和GPS模塊，實現多個數據采集節點采集數據的無線接收、匯總、顯示，并通過3G網絡實現數據的遠程發送，將數據上傳至環境監測數據服務器。監測終端組成框圖如圖3所示。（1） 芯片選擇終端設計中選用三星公司的S3C6410核心處理器，該處理器是基于ARM11內核的高性能的RISC微處理器，它在移動電話等領域應用廣泛

16、，其硬件性能為3G網絡提供很好的通信服務。S3C6410硬件加速器作用強大，能夠對圖像和視頻進行處理顯示等操作。ARM11架構的S3C6410內部資源豐富，有8路高達10位精度的ADC等。外部接口多樣，有GPIO口、LCD接口、USB口、串口，有利于進行系統擴展。S3C6410功耗低，在電源供電情況有限的條件下，可以自由選擇工作在省電模式，同時還可以根據主頻實際需求選擇400 MHz，533 MHz，667 MHz三種操作頻率。ARM是嵌入式系統的重要組成部分，采用“核心板+底板”的設計結構。憑借其體積小、性價比高、功能強大等優點，廣泛應用在手機電腦等智能終端領域中。endprint（2） 攝

17、像頭模塊在設計中，選擇的攝像頭模塊為ZC301攝像頭， 用于建筑工地環境的圖像采集，ZC301與核心板S3C6410通過USB接口連接，USB接口既作為數據交換接口，又作為供電接口。（3） 3G模塊本設計選用的3G無線通信模塊是華為公司的E261 3G模塊，通過USB口與OK6410相連，用來與環境監測數據服務器進行網絡連接。（4） 報警單元與顯示單元報警電路通過蜂鳴器電路設計實現，當采集的數據不在程序設定的范圍內時，蜂鳴器發出聲音，實現數據異常報警。終端顯示屏采用OK6410配套的4.3寸觸摸TFT彩色液晶顯示屏，顯示單元將接收到的PM2.5數據、噪聲數據、揚塵數據、硫化氫數據及GPS數據和

18、圖像數據等顯示在界面上。（5） GPS模塊本設計中選用的GPS模塊為UBLOX NEO?6M GPS定位模塊，它功能全面、性能卓越、功耗低，能夠滿足精確定位及工地消費需求。GPS模塊獲得建筑工地監測地點的經緯度，便于監管人員隨時定位到發生數據異常的施工地點。2.3 監測數據服務器環境監測數據服務器8通過網絡接收監測終端通過3G網絡上傳的環境數據，服務器的正常啟動需要安裝花生殼客戶端，完成IP映射配置，這樣服務器就會在公域網可見。3 軟件設計本系統軟件分為數據采集節點軟件設計和監測終端軟件設計兩部分。數據采集節點采用Keil開發環境，監測終端基于Linux嵌入式系統開發，在Linux系統下搭建交

19、叉編譯環境，使用Qt編程實現監測終端的界面顯示等功能。3.1 數據采集節點軟件設計數據采集節點軟件流程圖如圖4所示。數據采集節點軟件設計編譯環境采用Keil Vision 5，編寫語言采用C語言。軟件控制STM32讀取各傳感器采集的數值大小，將其按照一定的數據封裝格式封裝在TCP數據包中，數據包按順序存入數據采集節點采集的噪聲、PM2.5、硫化氫、揚塵等數據。接著控制數據發送模塊與監測終端組建局域網9，通過局域網Ad Hoc將數據包發送給監測終端，監控終端接收數據之后如果返回“11”，則表示接收數據成功，否則繼續發送，重復此過程，實現數據采集節點與監測終端的數據通信。3.2 監測終端軟件設計監

20、測終端軟件由兩部分組成：數據采集與解析和界面顯示設計。監測終端軟件的功能主要分為數據采集節點上傳數據的接收、監測終端GPS和工地圖像信息的獲取及信息顯示等功能模塊。監測終端軟件流程見圖5。（1） 數據采集與解析監測終端解析、采集軟件主要分為TCP數據接收解析、GPS與圖像數據采集兩部分，主要采用Linux C語言開發實現。監測終端接收到數據采集節點TCP數據包后進行解析，所接收的數據包由4部分組成：數據包大小、數據采集節點編號、工地環境數據、數據包結束標志。監測終端的TCP服務器程序監聽端口，接受數據采集節點TCP連接請求，接收數據采集節點數據。根據數據包大小，接收完全部的數據包，對數據包按照

21、“數據采集節點編號，噪聲、PM2.5，揚塵、硫化氫，數據結束標志位”格式進行解析，然后顯示在終端界面上。同時終端外部連接GPS、圖像模塊，程序控制進行GPS數據讀取、解析以及圖像獲取操作，采集到的圖像和GPS數據UI顯示在終端界面上。（2） 界面顯示設計終端軟件的界面顯示設計使用Qt開發語言編程實現，Qt是Linux系統下界面開發的重要工具，它在Window，iOS，Linux下具有很好的移植性，使用Qt開發程序和編寫界面顯示設計，首先需要在Linux系統下搭建Qt集成開發環境10。本終端軟件界面設計中，所要顯示的數據主要包括三大部分：建筑工地圖像數據、建筑工地環境指標數據、GPS定位數據。顯

22、示的建筑工地環境指標數據主要包括噪聲、PM2.5、揚塵、硫化氫等。本系統設計中，數據采集節點有三個，界面可以分別顯示三個采集節點的數據變化曲線，所顯示的環境指標數據是一段時間內三個監測采集節點采集數據的變化范圍，同時終端會根據我國環境指標相關規定，判斷環境狀態，并顯示出來。所接收到的環境數據會通過嵌入式數據庫存儲起來，用于后期環境狀態查詢操作。4 系統測試在建筑工地環境監測系統中，數據的采集與接收、系統報警、界面顯示要滿足很高的實時性要求。WiFi作為數據采集節點與監測終端通信的核心模塊，其穩定性直接影響整個系統數據發送和接收的穩定性。實驗室條件下，對系統WiFi模塊數據傳輸的穩定性和實時性、GPS定位信息的精確性進行測試。測試過程中，采用三個數據采集節點與一個監測終端相連接，監測終端界面顯示數據采集節點通過WiFi周期性發送到監測終端的噪聲、PM2.5、揚塵、硫化氫等數據，延時小于1 s，并繪制成動態曲線，可通過下拉菜單欄選擇想要查看的節點編號；同時