面向智慧工地監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

練文廣

（江門明浩電力工程監(jiān)理有限公司 廣東省江門市 529000）

我國(guó)正在快速推進(jìn)城市化進(jìn)程，各地的建設(shè)項(xiàng)目正在如火如荼的進(jìn)行。如今我們已經(jīng)邁入了信息化時(shí)代，信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都得到了大幅發(fā)展，延伸出來的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了廣泛運(yùn)用。人們逐漸將這些新型技術(shù)與城市智慧工地建設(shè)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。雖然市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了各類智能化工地管理設(shè)備，但是在實(shí)際運(yùn)用過程中仍然顯現(xiàn)出不足之處，有待改善。因此，需要針對(duì)智慧工地監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行深入探究，進(jìn)而提升城市工地監(jiān)管效率。

1 相關(guān)技術(shù)與資源分析

1.1 系統(tǒng)總體介紹

想要對(duì)智慧工地監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行優(yōu)化，需要正確了解智慧工地監(jiān)管系統(tǒng)的構(gòu)成，掌握這個(gè)系統(tǒng)的工作原理。智慧工地監(jiān)管系統(tǒng)通常是由智慧工地?cái)?shù)據(jù)云服務(wù)平臺(tái)、后臺(tái)應(yīng)用綜合平臺(tái)、智慧工地監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、電源供電系統(tǒng)等組合而成。這個(gè)系統(tǒng)囊括了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云服務(wù)、無線通信以及人工智能等技術(shù)，能夠迎合當(dāng)前工地信息化建設(shè)的需求。這項(xiàng)系統(tǒng)的工作原理需要各個(gè)組成部分的銜接配合。前端電源供電部分、外部電源與電池可以進(jìn)行自動(dòng)切換為智慧工地監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供電力保障。監(jiān)管設(shè)備在收集到各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)之后，能夠?qū)⑵涑尸F(xiàn)在工地現(xiàn)場(chǎng)的液晶屏幕上。與此同時(shí)，將傳感器與視頻流數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡(luò)上傳至智慧工地的云服務(wù)平臺(tái)，令數(shù)據(jù)的物接入、規(guī)則引擎、音視頻直播等功能得以實(shí)現(xiàn)。擁有權(quán)限的用戶可以通過綜合管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺(tái)的物接入、數(shù)據(jù)庫提取和處理、視頻監(jiān)控，能夠讓智慧工地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、高效率、實(shí)時(shí)的監(jiān)管。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

這項(xiàng)系統(tǒng)運(yùn)用的技術(shù)主要包括短距離無線通訊技術(shù)當(dāng)中的Wi-Fi 技術(shù)與RFID 技術(shù)、遠(yuǎn)距離5G 移動(dòng)通信技術(shù)以及串口通信技術(shù)。短距離無線通訊技術(shù)在近些年來取得了廣泛運(yùn)用，因?yàn)槎叹嚯x無線通信產(chǎn)品的使用與需求日益增加。而且半導(dǎo)體工藝和無線技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展帶動(dòng)了短距離無線通信技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用。短距離無線通信技術(shù)比較適合在一些現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜的地方使用，因?yàn)檫@些地方往往難以進(jìn)行有線傳輸方式的布線工作。短距離無線通信技術(shù)包含多個(gè)內(nèi)容，而在面向智慧工地監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備內(nèi)部主要采用了其中的Wi-Fi 技術(shù)和RFID 技術(shù)。Wi-Fi 作為無線局域網(wǎng)的一種，非常適合需要高效傳輸速率或者大范圍覆蓋的無線通信場(chǎng)地。RFID 技術(shù)則具有較為精準(zhǔn)的掃描設(shè)備能力，識(shí)別距離也非常靈活方便。當(dāng)前的移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)有4G 轉(zhuǎn)向?yàn)?G，擁有更加迅速的傳輸速度。這項(xiàng)技術(shù)可以在不依靠電纜的情況下構(gòu)建超高速信息公路，被廣泛運(yùn)用到無線高效傳輸?shù)母鱾€(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，較為常見的有無線視頻監(jiān)控場(chǎng)地。5G 移動(dòng)通信技術(shù)與之前的3G、4G 相比較，擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，信號(hào)覆蓋范圍也更廣泛，能夠迎合面向智慧工地監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與智慧工地?cái)?shù)據(jù)云服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸需求。串口通信技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)與工控設(shè)備上較為常用的一種串行通信協(xié)議。串口通信是將單條線上的字節(jié)按照一定順序進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，雖然與并行通信數(shù)據(jù)傳輸相比速度要慢一些，但是能夠大大減少傳輸線。這樣的技術(shù)特點(diǎn)能夠迎合對(duì)傳輸速率要求不高的場(chǎng)合需求，降低了布線所需要花費(fèi)的成本。

1.3 硬件資源選型

圖1：軟件處理流程圖

硬件資源選型主要包括兩個(gè)方面，第一是設(shè)計(jì)網(wǎng)管設(shè)備和傳感器無線適配設(shè)備所涉及到的模塊，第二是智慧工地監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備各傳感器組建與顯示屏幕的選擇。在進(jìn)行模塊的選擇時(shí)，可以從MT7620A 無線Wi-Fi 核心模塊、GPS 模塊、5G 通訊模塊、UART轉(zhuǎn)Wi-Fi 模塊以及RFID 讀頭模塊這五個(gè)方面入手，不同的模塊在接受靈敏度、有效距離、定位精度等參數(shù)方面有所差別，能夠迎合不同工序的需求。在進(jìn)行傳感器與顯示屏的選擇，主要包括了揚(yáng)塵溫濕度氣壓一體傳感器、超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器、噪音傳感器、高清監(jiān)控?cái)z像頭、RFID 標(biāo)簽、液晶顯示屏這六個(gè)方面。由于工地施工的復(fù)雜性，需要對(duì)各個(gè)工序進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)管與施工，進(jìn)而確保建設(shè)項(xiàng)目的順利推進(jìn)。

2 硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器無線適配設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)方案與電路設(shè)計(jì)

傳感器無線適配設(shè)備的工作原理是ARM 微控制器在借助UARTTIL 轉(zhuǎn)RS485 電路，通過對(duì)外部環(huán)境的揚(yáng)塵噪音溫濕度氣壓一體傳感器以及超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，然后利用UARTTTL 轉(zhuǎn)RS232 電路收集噪音傳感器的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)值。將收集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并且在UART 輸送到Wi-Fi 模塊，最后利用Wi-Fi 通訊技術(shù)將各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)管設(shè)備。

為了保障傳感器無線設(shè)配設(shè)備能夠正常運(yùn)行，需要制定合理的電路設(shè)計(jì)。首先，需要讓外部電源借助板上接線端子經(jīng)過二極管進(jìn)入電源轉(zhuǎn)換芯片的輸入端，在MP2359 芯片處理之后輸送出5V，滿足外部噪音傳感器的用電需求。在此同時(shí)，5V 作為當(dāng)前LDO 電源芯片的輸入端，在經(jīng)過AMS117-3.3DE 處理之后會(huì)產(chǎn)生3.3V 輸出電壓，為電路中的各個(gè)模塊進(jìn)行供電。微控制器芯片的外部串口1 為UART1,會(huì)與收發(fā)器芯片SP3232 進(jìn)行連接，進(jìn)而引出適配相關(guān)設(shè)備外部的接口RS232。微控制器芯片的外部串口2 即UART2與收發(fā)器芯片SP3485 進(jìn)行連接，能夠引出適配設(shè)備的外部RS485接口，最后將UART3 與Wi-Fi 模塊的ESP-12F 進(jìn)行有效的連接，能夠發(fā)揮出Wi-Fi 的通信功能。除此之外，適配設(shè)備硬件應(yīng)當(dāng)在合理保留ISP 串口的下載電路、LED 標(biāo)示燈電路等部分。在為各個(gè)功能模塊進(jìn)行電量的輸送供給時(shí)，還可以提升電路的穩(wěn)定性。

圖2：網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程的流程圖

2.1.2 軟件處理流程

軟件處理流程（如圖1）主要包括三個(gè)層面：

（1）與網(wǎng)管設(shè)備進(jìn)行Wi-Fi 連接。網(wǎng)管設(shè)備作為Wi-Fi 模塊中的熱點(diǎn)AP，將傳感器無線適配設(shè)備當(dāng)做站點(diǎn)的STA，能夠在上電之后自動(dòng)連接網(wǎng)關(guān)設(shè)備的Wi-Fi AP。在軟件工作流程方面，網(wǎng)關(guān)設(shè)備是TCP 的服務(wù)端，而傳感器無線適配設(shè)備則是成為了客戶端，在關(guān)聯(lián)了Wi-Fi 之后，能夠自動(dòng)再一次連接TCP 的服務(wù)端。

（2）傳感器數(shù)據(jù)采集、分析與處理。在通過傳感器了解了各項(xiàng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)之后，運(yùn)用合理的技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與梳理，完成數(shù)據(jù)的解析與處理工作。在這項(xiàng)工序完成之后，可以讓各項(xiàng)數(shù)據(jù)更加清晰明了，保障軟件工序的正常運(yùn)作。

（3）與網(wǎng)關(guān)設(shè)備Wi-Fi 通信。在接收了網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)之后，完成數(shù)據(jù)的解壓與分析工作，將各類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行組織歸納，及時(shí)上報(bào)給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

2.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的時(shí)候，需要了解它的構(gòu)成部分，了解各個(gè)電路模塊的關(guān)系與作用。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備主要是由Wi-Fi 核心模塊電路、GPS 定位模塊電路、USB 轉(zhuǎn)換電路、串口轉(zhuǎn)換電路以及電源處理電路等部分構(gòu)成。在這些模塊電路中，USB 轉(zhuǎn)換電路還分為兩者，即USB HUB 轉(zhuǎn)換電路和USB 轉(zhuǎn)串口UART 電路。在了解電路的構(gòu)成以及類別之后，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)方案。它的工作原理是無線Wi-Fi 核心模塊當(dāng)中的CPU MT7620A 在接受了外部無線傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)之后，會(huì)利用串口UART TTL 電路將RFID 讀寫器和GPS 定位模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)，并且利用有限網(wǎng)絡(luò)接口將外部高清攝像頭視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行接收采集。在接受了眾多的傳感器數(shù)據(jù)之后，工作人員能夠通過相應(yīng)的端口和電路將其展示在外部液晶屏幕上，實(shí)現(xiàn)了本地實(shí)時(shí)展示。同時(shí)將這些采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將最后的結(jié)果轉(zhuǎn)變成百度云端物接入格式，借助USB 與電路進(jìn)行連接，發(fā)送至5G 通訊模塊，5G 通訊模塊再將數(shù)據(jù)上傳至智慧工地?cái)?shù)據(jù)云服務(wù)平臺(tái)。

2.2.2 軟件處理流程

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備軟件的工作流程是針對(duì)各類傳感器、攝像頭視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析處理和傳輸?shù)倪^程，能夠使其與智慧工地?cái)?shù)據(jù)云平臺(tái)和綜合化管理系統(tǒng)進(jìn)行有效的對(duì)接。由于應(yīng)用程序在OPENWRT 系統(tǒng)中運(yùn)用了多進(jìn)程與多線程方式，所以應(yīng)當(dāng)了解這些進(jìn)程與線程的功能與處理流程。首先是守護(hù)進(jìn)程，它能夠監(jiān)測(cè)主進(jìn)程、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)異常退出的時(shí)候能夠快速重啟相應(yīng)的進(jìn)程，提升設(shè)備的穩(wěn)定性。其次是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程（如圖2），利用無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)撥號(hào)上網(wǎng)的目的，對(duì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況與信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常的情況下，會(huì)對(duì)模塊展開復(fù)位或重啟。隨后是主進(jìn)程，它能夠?qū)崿F(xiàn)視頻推流服務(wù)的啟動(dòng)，展現(xiàn)多個(gè)線程，令每個(gè)線程都能夠?qū)ο嚓P(guān)事物進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行，主線程在這個(gè)時(shí)候起到了協(xié)調(diào)作用。

3 構(gòu)建智慧工地?cái)?shù)據(jù)云平臺(tái)

通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)云平臺(tái)，能夠有效提升相關(guān)數(shù)據(jù)處理工作的便捷性。面向智慧工地監(jiān)管的數(shù)據(jù)云平臺(tái)，可以將百度天工-智能物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為基礎(chǔ)，使其具有百度云的大數(shù)據(jù)分析和處理能力，便于提供各類物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。例如在物接入、物管理與規(guī)則引擎等方面，能夠?qū)⒃贫伺c本地設(shè)備進(jìn)行無縫對(duì)接，提升了各類數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算、展示、分析等工作的效率。數(shù)據(jù)云平臺(tái)在對(duì)百度天工-智能物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)建之后，能夠發(fā)現(xiàn)它的四大優(yōu)勢(shì)。首先是大平臺(tái)的一站式，能夠在數(shù)據(jù)接入、分析和存儲(chǔ)等方面得到全天候的服務(wù)。其次是數(shù)十億設(shè)備的有效接入，可以實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備的快速接入，并且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。再次，支持多種協(xié)議接入。最后，可以對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而發(fā)現(xiàn)具有價(jià)值的應(yīng)用數(shù)據(jù)。

4 建立綜合管理平臺(tái)

為了讓面向智慧工地監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)積極構(gòu)建綜合管理平臺(tái)。通過工地的實(shí)際情況，完善平臺(tái)的架構(gòu)，令管理平臺(tái)的功能得到保障。想要讓綜合管理平臺(tái)發(fā)揮出有效的作用，需要保障以下四個(gè)功能，即監(jiān)測(cè)設(shè)備的管理、采集數(shù)據(jù)的處理與展現(xiàn)，超標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)預(yù)警、現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控。首先是監(jiān)測(cè)設(shè)備的管理。管理工作主要是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的啟動(dòng)與停用，讓監(jiān)測(cè)設(shè)備可以獲取精確的地理位置，合理設(shè)置參數(shù)，掌握監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)。其次，采集數(shù)據(jù)的處理與展現(xiàn)。將傳感器采集到的數(shù)據(jù)如噪音、風(fēng)速、溫度等進(jìn)行分類，通過不同維度進(jìn)行分析和展示。再次，超標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)預(yù)警，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的時(shí)候，在出現(xiàn)超標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)及時(shí)預(yù)警，便于人們能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，并且對(duì)這些問題進(jìn)行分析判斷，制定出合理的解決對(duì)策。最后，現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控。在合理設(shè)置了監(jiān)控探頭之后，使監(jiān)控視頻與平臺(tái)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，用戶能夠在平臺(tái)內(nèi)實(shí)時(shí)觀看現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控。

5 結(jié)束語

智慧城市已經(jīng)成為世界各國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)，由于建筑行業(yè)是城市經(jīng)濟(jì)的重要部分，所以加快智慧工地建設(shè)將促進(jìn)智慧城市的發(fā)展。運(yùn)用先進(jìn)的科技手段進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)的管理創(chuàng)新，進(jìn)而建立一個(gè)智能、高效率的智慧工地。