基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陽俐君，顧喬軒，劉卓魁，黃凱軒，鐘久隆

（南通職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 江蘇 南通 226007）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，建筑和道路施工工程數(shù)量激增。戶外作業(yè)條件下不可控環(huán)境因素較多，施工過程中極易引起揚(yáng)塵和噪音污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國大部分城市的可吸入大氣顆粒污染物，有40 %左右來自建筑施工，部分城市甚至達(dá)到了50 %[1]。揚(yáng)塵和噪音等污染對(duì)居民健康造成嚴(yán)重危害，國家已出臺(tái)相關(guān)規(guī)定，要求對(duì)建設(shè)工地加強(qiáng)管理。由于建筑工地、道路施工點(diǎn)位多、監(jiān)控困難，市場(chǎng)上現(xiàn)有揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)裝置功能單一、價(jià)格昂貴，并不能很好地滿足環(huán)保部門的要求。鑒于此，基于物聯(lián)網(wǎng)、視頻抓拍、智能控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)一種揚(yáng)塵智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的揚(yáng)塵、噪音及氣象參數(shù)的實(shí)時(shí)采集測(cè)量和監(jiān)控，以期為環(huán)保部門提供一種科學(xué)合理的監(jiān)控手段。

1 智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)感知層、中心平臺(tái)、智能管理終端三大部分組成，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1 所示[2]。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)感知層由數(shù)據(jù)匯總器、噪聲檢測(cè)單元、揚(yáng)塵檢測(cè)單元、氣象五參數(shù)檢測(cè)單元、視頻取證單元等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染源數(shù)據(jù)全方位、全過程收集，并可對(duì)霧炮等防塵設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制。現(xiàn)場(chǎng)感知層通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與中心平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。其中視頻取證選用以開關(guān)量觸發(fā)或通訊觸發(fā)抓拍，具有云平臺(tái)的攝像頭，可直接和中心平臺(tái)傳輸視頻，提高傳輸速度。

中心平臺(tái)由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及信息監(jiān)控應(yīng)用管理平臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)感知層數(shù)據(jù)的接受、存儲(chǔ)與處理，并呈現(xiàn)給用戶。

智能管理終端則包括一系列的手持式終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況的實(shí)時(shí)跟蹤查看與管理，處理和解決應(yīng)急突發(fā)事件。

2 傳感器單元的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要傳感器單元包括：揚(yáng)塵在線檢測(cè)單元、噪音檢測(cè)單元、氣象五參數(shù)監(jiān)控單元。

為了生產(chǎn)方便，本設(shè)計(jì)對(duì)各傳感器單元采用統(tǒng)一的核心板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，如圖2 所示。

圖2 核心板組成框圖

核心板以宏晶科技生產(chǎn)的寬電壓2.5~5.5 V高速 1T 單片機(jī) STC15W4K48S4 為核心[3]，外接觸摸液晶屏、RS232 模塊、無線模塊、AD 擴(kuò)展模塊、IO 擴(kuò)展模塊、串口擴(kuò)展模塊等。

（1）單片機(jī)和觸摸液晶屏Usart-GPU26ATP的連接

Usart-GPU26ATP 是 2.6 吋分辨率 320×240的指令觸摸屏，內(nèi)存為4 MB，操作簡單，適宜各類物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用。其與單片機(jī)通過圖3 所示的串口連接，再經(jīng)指令交互即可工作。

圖3 單片機(jī)和Usart-GPU26ATP 的連接

（2）RS232 模塊和無線模塊

單片機(jī)的串口1 RXD/TXD 通過RS232 芯片構(gòu)成RS232 模塊，實(shí)現(xiàn)程序的下載及與匯總器的通信。同時(shí)，通過跳線與無線模塊DL-22 連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和匯總器在1 000 米內(nèi)的無線通信。

（3）AD 擴(kuò)展模塊

AD 擴(kuò)展模塊選用周立功公司生產(chǎn)的8 通道 0~20 mA 電流采集模塊TPS08U，供電電壓為3.3 V，滿量程精度達(dá)0.1 %，其接口見圖4。

如圖4，單片機(jī)通過SPI 通信接口與TPS08U連接，被測(cè)電流選擇CH1-H、CH1-L 到CH8-H、CH8-L 某接口進(jìn)行輸入，由單片機(jī)通過指令讀出采集的電流值，再采用式（1）計(jì)算得到對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)量的噪音等參數(shù)值。

圖4 TPS08U 接口

其中：Ov 為結(jié)果（實(shí)測(cè)值）；Iv 為 測(cè)量的電流實(shí)測(cè)值（4~20 mA 電流信號(hào)）；Osh 為結(jié)果（實(shí)測(cè)值）的高限，即量程高限；Osl 為結(jié)果（實(shí)測(cè)值）的低限，即量程低限；Ish 為測(cè)量的電流高限，對(duì)應(yīng)為20 mA；Isl 為測(cè)量的電流低限，對(duì)應(yīng)為4 mA。

（4）串口擴(kuò)展模塊

單片機(jī)STC15W4K48S4 具有4 個(gè)獨(dú)立串口，本設(shè)計(jì)將串口3、串口4 外擴(kuò)RS232 芯片和RS485 芯片，實(shí)現(xiàn)232/485 接口，便于和其他設(shè)備進(jìn)行通訊使用。

（5）IO 擴(kuò)展模塊

為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)的開關(guān)量輸入和控制，本設(shè)計(jì)將部分單片機(jī)的口線連接光耦作為輸入，連接繼電器作為輸出。

2.1 揚(yáng)塵檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心部分為揚(yáng)塵檢測(cè)單元，選用青島品銳電子有限公司生產(chǎn)的SLPD-D01 傳感器實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵數(shù)據(jù)采集。該傳感器是一款利用光學(xué)對(duì)空氣中顆粒物濃度進(jìn)行檢測(cè)的數(shù)字傳感器，其內(nèi)置MCU 運(yùn)算系統(tǒng)，可以通過串口實(shí)時(shí)輸出當(dāng)前環(huán)境揚(yáng)塵濃度，單位為μg/m3。

SLPD-D01 傳感器和核心板串口擴(kuò)展模塊的串口3 進(jìn)行通訊，波特率為 9 600 bps，數(shù)據(jù)類型為八位數(shù)據(jù)位、一位停止位、無奇偶校驗(yàn)。

SLPD-D01 傳感器模塊每隔2~3 秒將所采集的揚(yáng)塵濃度按表1 的格式發(fā)送給單片機(jī)。

表1 揚(yáng)塵檢測(cè)數(shù)據(jù)包格式

其中：揚(yáng)塵濃度（μg/m3）=濃度高字節(jié)×2^8+濃度低字節(jié)；校驗(yàn)字節(jié)=前面所有數(shù)據(jù)字節(jié)之和。

單片機(jī)通過對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時(shí)解析，便可得到揚(yáng)塵濃度。

2.2 噪音檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)

噪音傳感器選用明唯希星的WS700A5 精密噪音計(jì)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

供電電壓：DC 12~24 V，可選DC 5 V

測(cè)量范圍：0~130 dB

測(cè)量精度：0.5 %

工作溫度：-40~60 ℃

輸出模式：4~20 mA

WS700A5 傳感器和核心板的AD 擴(kuò)展模塊的 CH1-H、CH1-L 連接。

單片機(jī)將讀到的電流值和測(cè)量范圍（即對(duì)應(yīng)的量程上下限）0 dB、130 dB 代入公式（1），便可得到所測(cè)的噪音值。

2.3 氣象五參數(shù)檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過對(duì)氣象五參數(shù)的檢測(cè)，為揚(yáng)塵和噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的后期分析提供氣象參數(shù)保障。氣象五參數(shù)包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓等環(huán)境參數(shù)。

溫濕度的測(cè)量選用1 線制傳感器DHT11，DHT11 的 1 腳為電源供電 3.55～5 V；2 腳為輸出out；3 腳為電源負(fù)極。本設(shè)計(jì)中，DHT11 的 2 腳與核心板IO 擴(kuò)展模塊的1 個(gè)IO 口相連，實(shí)現(xiàn)1 線制通訊。

風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量選用北京飛超風(fēng)速控制儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FC-2A 風(fēng)速傳感器和FC-4XQ 風(fēng)向傳感器，其輸出均為4~20 mA 的電流信號(hào)。

FC-2A 風(fēng)速傳感器測(cè)量范圍有0~5 m/s、0~ 30 m/s、0~70 m/s 可選，測(cè)量精度為±2 %，分辨率為0.1 m/s 。

FC-4XQ 風(fēng)向傳感器的測(cè)量范圍包括4、8、16方向及0~360°全方位可選，測(cè)量精度為±1°。

大氣壓傳感器選用RS-QY-I20-2-4，其測(cè)量范圍為大氣壓0~120 kPa，電流輸出4~20 mA。

上述傳感器和核心板的AD 擴(kuò)展模塊的CH1-H、CH1-L 到 CH3-H、CH3-L 分別連接，利用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，便可得到風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓對(duì)應(yīng)的測(cè)量值。

3 匯總器的設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際需求，選用周立功公司生產(chǎn)的M335x-T 系列核心板作為匯總器的主控板。該核心板采用 TI AM3352 處理器，800 MHz 主頻，集成6 路UART，1 路百兆網(wǎng)接口、1 路千兆網(wǎng)接口、I2C 等功能。在該核心板基礎(chǔ)上，外擴(kuò)IO 模塊、SD卡、TFT 液晶、時(shí)鐘、4G 路由等，組成框圖如圖5所示，M335x-T 系列核心板硬件接口如圖6，具體應(yīng)用參考該模塊的詳細(xì)說明書。

圖5 匯總器組成框圖

圖6 M335x-T 系列核心板硬件接口

匯總器和揚(yáng)塵檢測(cè)模塊、噪音檢測(cè)模塊、氣象五參數(shù)檢測(cè)模塊通過串口（有線或無線）進(jìn)行通訊，將所有的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存至SD 卡，通過TFT 液晶屏操作實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢和相關(guān)參數(shù)設(shè)置及控制，并經(jīng)網(wǎng)口接4G 路由，將數(shù)據(jù)上傳至中心平臺(tái)。匯總器對(duì)當(dāng)前的測(cè)量值進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵超標(biāo)報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)霧炮等防塵設(shè)備，并通過串口或IO 擴(kuò)展模塊觸發(fā)攝像頭進(jìn)行視頻抓拍取證。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括揚(yáng)塵檢測(cè)單元、噪音檢測(cè)單元、氣象五參數(shù)檢測(cè)單元的軟件設(shè)計(jì)，匯總器的軟件設(shè)計(jì)，中心平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)及智能管理終端的軟件設(shè)計(jì)。其中，揚(yáng)塵、噪音及氣象五參數(shù)檢測(cè)單元的軟件設(shè)計(jì)，主要包括液晶觸摸屏的按鍵顯示編程，結(jié)合傳感器的接口要求進(jìn)行AD、單總線等的編程，通訊編程等[4]。匯總器通過在M335x-T系列核心板安裝Linux 系統(tǒng)，采用QT 和C++進(jìn)行編程[5]，方便可靠，便于遠(yuǎn)程升級(jí)和功能擴(kuò)展。程序采用多線程的方式編寫，便于并行運(yùn)行，包括TFT 的操作顯示編程、串口通信編程、網(wǎng)絡(luò)通信編程、IO 口控制編程、時(shí)鐘編程等，其主程序流程如圖7 所示。

圖7 匯總器主程序流程

中心平臺(tái)采用Java+MySQL 進(jìn)行編程[6]。主要包括網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)與各點(diǎn)匯總器的通信，對(duì)接收的協(xié)議進(jìn)行解析，對(duì)解析的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、呈現(xiàn)及記錄查詢等，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

智能管理終端的軟件以Android 和OS 兩種平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便滿足不同的操作系統(tǒng)需要。

5 結(jié)束語

針對(duì)目前建筑工地、道路施工點(diǎn)位多、監(jiān)控困難的現(xiàn)狀，結(jié)合ARM 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給出了一種智能揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)場(chǎng)長時(shí)間運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實(shí)施簡便，適于環(huán)保部門多級(jí)管理。該技術(shù)還可用于對(duì)其他污染因子的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，促進(jìn)大氣治理，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。