基于LoRa技術(shù)的施工現(xiàn)場污染源監(jiān)測系統(tǒng)

沈志勇 嚴再春 李鑫奎

上海建工集團股份有限公司 上海 201114

為實現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的目標，“四節(jié)一環(huán)保”越來越受到全社會關(guān)注，特別是降低施工現(xiàn)場污染排放對降低能耗、保護環(huán)境、保障施工人員健康具有重要意義。

1 施工現(xiàn)場污染源

施工現(xiàn)場污染源種類眾多，主要包括噪聲、粉塵、廢水、廢氣、光等。

噪聲：噪聲源根據(jù)不同施工階段而有所不同。地下施工階段以打樁機、挖土機、鉆孔機等大型機械設(shè)備為主；結(jié)構(gòu)施工階段以混凝土施工、振搗棒、電焊為主；裝修階段以重力敲打、切割、沖擊鉆、電鉆等為主。噪聲污染不僅影響周邊居民正常生活，更對施工人員的身心健康有著長遠影響。

粉塵：粉塵主要來源于施工現(xiàn)場切割及打磨材料、鉆孔、粉質(zhì)材料處理及因風引起的揚塵。PM10由于粒徑較小，被人體吸入后會造成呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的損害，引發(fā)哮喘、心臟病、肺病等疾病。施工揚塵對施工人員職業(yè)健康威脅較大，對城市環(huán)境也有較大影響。

廢水：廢水主要來源于施工現(xiàn)場的材料及設(shè)備清洗，特別是施工過程產(chǎn)生的泥漿。泥漿不僅會堵塞排水管道，干燥后還會變成灰塵，從而直接影響人們的身體健康，污染環(huán)境。

光：施工現(xiàn)場的光主要來源于焊切弧光及夜間施工的強光等。光污染不僅影響人們的正常睡眠，更會對人的眼睛產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響，有致白內(nèi)障甚至致盲的風險。

綜上所述，施工污染源對施工人員的職業(yè)健康有著直接和長遠影響，國家和相關(guān)部門陸續(xù)頒布了一系列法律法規(guī)和標準文件，以防治施工污染源，保護和改善從業(yè)人員的工作環(huán)境和生活環(huán)境。

獲取污染源信息的量化數(shù)據(jù)，對污染源數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測是實現(xiàn)施工污染源防治的前提。在國外，污染源監(jiān)測技術(shù)已發(fā)展多年且相對成熟。在我國，隨著信息化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入應用于土木工程行業(yè)，信息化施工與監(jiān)測已被土木工程師普遍接受[1-4]，但現(xiàn)有污染源信息監(jiān)測手段存在以下問題：

1）采集方面：監(jiān)測項目種類多，不同類型的監(jiān)測需要采用不同協(xié)議，采集到的數(shù)據(jù)解析存在一定難度。

2）傳輸方面：采用有線方式，存在布線麻煩、容易損壞等缺點；采用無線方式，數(shù)據(jù)衰減嚴重。

3）數(shù)據(jù)處理和展示方面：大量數(shù)據(jù)的采集與處理對技術(shù)要求較高。

2 施工污染源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計思想

施工污染源監(jiān)測系統(tǒng)通過電子產(chǎn)品獲取施工現(xiàn)場污染源變化情況，充分利用信息化產(chǎn)品的特點，發(fā)揮電子產(chǎn)品的實時高效性。該系統(tǒng)硬件設(shè)計的宗旨是：可靠、安全、穩(wěn)定、持續(xù)?？煽渴侵覆杉降臄?shù)據(jù)必須是正確的，不能因為在途中受到電磁干擾或其他原因影響使數(shù)據(jù)發(fā)生改變；安全是指在數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性和私密性，數(shù)據(jù)包中的信息只能從起點到達指定的終點，其間不能被未經(jīng)授權(quán)的其他儀器截獲；穩(wěn)定是指產(chǎn)品穩(wěn)定運行，不會經(jīng)常出現(xiàn)故障；持續(xù)是指在合適體積下采用合適的電池，并且在程序以及硬件設(shè)計中擁有低功耗功能，使得模塊的平均功耗降低，達到盡可能延長電池持續(xù)供電時間的要求。

2.2 傳輸方案選擇及總體架構(gòu)

建筑施工現(xiàn)場環(huán)境十分復雜，施工環(huán)境、污染源及污染源大小會因施工階段不同而發(fā)生變化，采集污染源數(shù)據(jù)的節(jié)點模塊所處環(huán)境也相應變化，可能會出現(xiàn)遮擋、衰減、干擾等一系列情況。綜合考量各種傳輸方案的優(yōu)缺點，建議采用LoRa技術(shù)實現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸。它采用線性調(diào)制擴頻方式，能顯著提高接收靈敏度，實現(xiàn)了比其他調(diào)制技術(shù)更遠的通信距離。

硬件系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集節(jié)點2個部分組成。

網(wǎng)關(guān)：每個網(wǎng)絡布置單個協(xié)調(diào)器節(jié)點，具有網(wǎng)絡最高權(quán)限，所有命令通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)達，所有的數(shù)據(jù)都會經(jīng)過協(xié)調(diào)器傳輸?shù)缴衔粰C，協(xié)調(diào)器同時還需負責系統(tǒng)的安全以及執(zhí)行其他方面操作，保持與系統(tǒng)內(nèi)部其他設(shè)備的通信。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點：數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集工作，并將信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。

2.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

硬件中協(xié)調(diào)器由數(shù)據(jù)處理器、4G網(wǎng)絡、LoRa模塊、USB接口以及存儲器構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)處理器從LoRa內(nèi)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)并分析處理后，將數(shù)據(jù)存儲于存儲器中，協(xié)調(diào)器在接收數(shù)據(jù)后將符合協(xié)議格式數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡傳到遠程服務器上。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意

2.4 采集節(jié)點設(shè)計

硬件中的采集節(jié)點由電源電路、數(shù)據(jù)處理器、存儲器、時鐘電路、狀態(tài)顯示電路、采集接口電路以及LoRa模塊構(gòu)成，如圖2所示。其中電源電路為系統(tǒng)各模塊供電，數(shù)據(jù)處理器是系統(tǒng)運算和控制核心，狀態(tài)顯示電路用于顯示當前采集終端的情況，時鐘電路作為數(shù)據(jù)處理器的時基，采集接口電路用于系統(tǒng)調(diào)試及參數(shù)配置。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)

2.5 上位機軟件實現(xiàn)

上位機監(jiān)測軟件是整個系統(tǒng)的另一核心。在該部分中，用戶通過登錄該系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置，整個系統(tǒng)通過Tomcat服務器在線發(fā)布，用戶可在任何1臺PC機上完成數(shù)據(jù)查詢、預警、系統(tǒng)管理與維護工作，該系統(tǒng)上位機部分分成溫濕度、噪聲、光照、PM10、廢水等5個模塊。

3 系統(tǒng)試運行

本系統(tǒng)首次運用在某一混凝土攪拌站?；炷翑嚢枵驹谏a(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的粉塵、廢水和噪聲等，

3.1 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)原理

3.1.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件包括以下幾個部分：粉塵濃度傳感器，監(jiān)測施工現(xiàn)場粉塵濃度；噪聲、溫濕度、光照傳感器，監(jiān)測噪聲、溫濕度等信息；污水傳感器，監(jiān)測水流中污水濃度；數(shù)據(jù)采集器，采集傳感器信息；數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，收集采集器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送至服務器；服務器數(shù)據(jù)庫及上位機，用于存儲遠程數(shù)據(jù)，用戶可通過Web界面進行查看。

3.1.2 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.1.3 在線故障檢測

系統(tǒng)實現(xiàn)在線故障檢測步驟：

1）實時采集混凝土生產(chǎn)設(shè)備不同作業(yè)點的粉塵濃度、振動加速度、噪聲聲壓級及攪拌機主機電流的參數(shù)信息。

2）混凝土生產(chǎn)設(shè)備運行一段時間后，分別計算該段運行時間內(nèi)的粉塵濃度、振動加速度、噪聲聲壓級、攪拌機主機電流的參數(shù)平均值和比較值。

3）將實時采集各參數(shù)信息與步驟2計算得到的各個參數(shù)平均值、比較值進行對比，判斷各個參數(shù)是否存在異常信息。

該系統(tǒng)分為兩大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析預警模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要通過單片機芯片連接各種傳感器，將電流、振動加速度、粉塵、噪聲和溫度等一些同設(shè)備相關(guān)的重要數(shù)據(jù)采集后，通過遠距離433 MHz的通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠端的數(shù)據(jù)分析預警模塊。數(shù)據(jù)預警分析模塊接收到上述數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進行智能分析（智能分析必須等待數(shù)據(jù)采集超過7 d后才能達到一個理想的分析預警過程），經(jīng)過分析后對有潛在故障的信息通過微信或者QQ發(fā)送至指定人員手機或者其他終端設(shè)備。

3.2 調(diào)試及現(xiàn)場安裝

在混凝土攪拌站的合適位置安裝了相應傳感器及通信模塊，實時監(jiān)測粉塵、噪聲、溫度、濕度等參數(shù)。

3.3 試運行效果

系統(tǒng)在攪拌站試運行期間運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}，設(shè)備滿足數(shù)據(jù)采集需求，通過信息化手段獲取和提供攪拌站污染源信息，可使相關(guān)人員實時了解周邊現(xiàn)場環(huán)境，為現(xiàn)場環(huán)保工作開展提供數(shù)據(jù)支持。

該系統(tǒng)運行后大大降低了設(shè)備管理人員的工作強度，提高了工作效率，將攪拌站轉(zhuǎn)變?yōu)榛谖锫?lián)網(wǎng)的數(shù)字化現(xiàn)場。目前，該攪拌站已實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可追溯性，可隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)查看各個站點最新的生產(chǎn)情況，以及自定義地對各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，大大提高了工作效率和數(shù)據(jù)的準確性。

4 結(jié)語

通過基于LoRa技術(shù)的施工現(xiàn)場污染源監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用，取得了以下效果：

1）實現(xiàn)了多項施工現(xiàn)場污染源的自動化采集，提高了污染源采集效率。

2）監(jiān)測系統(tǒng)可實時提供污染源參數(shù)，系統(tǒng)顯示與環(huán)境參數(shù)同步更新。

3）監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析和預警功能，從而能在污染超標的第一時間采取相應措施，改善了人員的作業(yè)條件，減少了環(huán)境污染。同時也轉(zhuǎn)變了現(xiàn)有企業(yè)管理模式，通過人工智能分析和預警給企業(yè)決策和綠色生產(chǎn)帶來質(zhì)的飛躍。