基于物聯(lián)網技術的智能揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

陽俐君，顧喬軒，劉卓魁，黃凱軒，鐘久隆

（南通職業(yè)大學 電子信息工程學院， 江蘇 南通 226007）

0 引 言

隨著經濟的迅猛發(fā)展，城市化進程不斷推進，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塵和噪音污染。據(jù)統(tǒng)計，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，部分城市甚至達到了50 %[1]。揚塵和噪音等污染對居民健康造成嚴重危害，國家已出臺相關規(guī)定，要求對建設工地加強管理。由于建筑工地、道路施工點位多、監(jiān)控困難，市場上現(xiàn)有揚塵監(jiān)測裝置功能單一、價格昂貴，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、視頻抓拍、智能控制等技術，設計一種揚塵智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的揚塵、噪音及氣象參數(shù)的實時采集測量和監(jiān)控，以期為環(huán)保部門提供一種科學合理的監(jiān)控手段。

1 智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

智能在線監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場感知層、中心平臺、智能管理終端三大部分組成，系統(tǒng)的拓撲結構如圖 1 所示[2]。

圖1 系統(tǒng)拓撲結構

現(xiàn)場感知層由數(shù)據(jù)匯總器、噪聲檢測單元、揚塵檢測單元、氣象五參數(shù)檢測單元、視頻取證單元等組成，實現(xiàn)對污染源數(shù)據(jù)全方位、全過程收集，并可對霧炮等防塵設備實現(xiàn)控制?，F(xiàn)場感知層通過有線或無線網絡與中心平臺進行實時通訊。其中視頻取證選用以開關量觸發(fā)或通訊觸發(fā)抓拍，具有云平臺的攝像頭，可直接和中心平臺傳輸視頻，提高傳輸速度。

中心平臺由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及信息監(jiān)控應用管理平臺組成，實現(xiàn)對現(xiàn)場感知層數(shù)據(jù)的接受、存儲與處理，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備，實現(xiàn)對現(xiàn)場狀況的實時跟蹤查看與管理，處理和解決應急突發(fā)事件。

2 傳感器單元的硬件設計

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

為了生產方便，本設計對各傳感器單元采用統(tǒng)一的核心板進行數(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的寬電壓2.5~5.5 V高速 1T 單片機 STC15W4K48S4 為核心[3]，外接觸摸液晶屏、RS232 模塊、無線模塊、AD 擴展模塊、IO 擴展模塊、串口擴展模塊等。

（1）單片機和觸摸液晶屏Usart-GPU26ATP的連接

Usart-GPU26ATP 是 2.6 吋分辨率 320×240的指令觸摸屏，內存為4 MB，操作簡單，適宜各類物聯(lián)網傳感節(jié)點的應用。其與單片機通過圖3 所示的串口連接，再經指令交互即可工作。

圖3 單片機和Usart-GPU26ATP 的連接

（2）RS232 模塊和無線模塊

單片機的串口1 RXD/TXD 通過RS232 芯片構成RS232 模塊，實現(xiàn)程序的下載及與匯總器的通信。同時，通過跳線與無線模塊DL-22 連接，實現(xiàn)單片機和匯總器在1 000 米內的無線通信。

（3）AD 擴展模塊

AD 擴展模塊選用周立功公司生產的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0.1 %，其接口見圖4。

如圖4，單片機通過SPI 通信接口與TPS08U連接，被測電流選擇CH1-H、CH1-L 到CH8-H、CH8-L 某接口進行輸入，由單片機通過指令讀出采集的電流值，再采用式（1）計算得到對應傳感器測量的噪音等參數(shù)值。

圖4 TPS08U 接口

其中：Ov 為結果（實測值）；Iv 為 測量的電流實測值（4~20 mA 電流信號）；Osh 為結果（實測值）的高限，即量程高限；Osl 為結果（實測值）的低限，即量程低限；Ish 為測量的電流高限，對應為20 mA；Isl 為測量的電流低限，對應為4 mA。

（4）串口擴展模塊

單片機STC15W4K48S4 具有4 個獨立串口，本設計將串口3、串口4 外擴RS232 芯片和RS485 芯片，實現(xiàn)232/485 接口，便于和其他設備進行通訊使用。

（5）IO 擴展模塊

為了實現(xiàn)相關的開關量輸入和控制，本設計將部分單片機的口線連接光耦作為輸入，連接繼電器作為輸出。

2.1 揚塵檢測單元的設計

系統(tǒng)的核心部分為揚塵檢測單元，選用青島品銳電子有限公司生產的SLPD-D01 傳感器實現(xiàn)揚塵數(shù)據(jù)采集。該傳感器是一款利用光學對空氣中顆粒物濃度進行檢測的數(shù)字傳感器，其內置MCU 運算系統(tǒng)，可以通過串口實時輸出當前環(huán)境揚塵濃度，單位為μg/m3。

SLPD-D01 傳感器和核心板串口擴展模塊的串口3 進行通訊，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。

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

表1 揚塵檢測數(shù)據(jù)包格式

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

單片機通過對該數(shù)據(jù)包進行實時解析，便可得到揚塵濃度。

2.2 噪音檢測單元的設計

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

供電電壓：DC 12~24 V，可選DC 5 V

測量范圍：0~130 dB

測量精度：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 擴展模塊的 CH1-H、CH1-L 連接。

單片機將讀到的電流值和測量范圍（即對應的量程上下限）0 dB、130 dB 代入公式（1），便可得到所測的噪音值。

2.3 氣象五參數(shù)檢測單元的設計

本系統(tǒng)通過對氣象五參數(shù)的檢測，為揚塵和噪聲監(jiān)測數(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、風速、風向、大氣壓等環(huán)境參數(shù)。

溫濕度的測量選用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 腳為電源負極。本設計中，DHT11 的 2 腳與核心板IO 擴展模塊的1 個IO 口相連，實現(xiàn)1 線制通訊。

風速、風向的測量選用北京飛超風速控制儀器有限責任公司生產的FC-2A 風速傳感器和FC-4XQ 風向傳感器，其輸出均為4~20 mA 的電流信號。

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

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

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

上述傳感器和核心板的AD 擴展模塊的CH1-H、CH1-L 到 CH3-H、CH3-L 分別連接，利用公式（1）進行計算，便可得到風速、風向、大氣壓對應的測量值。

3 匯總器的設計

結合實際需求，選用周立功公司生產的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 路百兆網接口、1 路千兆網接口、I2C 等功能。在該核心板基礎上，外擴IO 模塊、SD卡、TFT 液晶、時鐘、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，具體應用參考該模塊的詳細說明書。

圖5 匯總器組成框圖

圖6 M335x-T 系列核心板硬件接口

匯總器和揚塵檢測模塊、噪音檢測模塊、氣象五參數(shù)檢測模塊通過串口（有線或無線）進行通訊，將所有的測量數(shù)據(jù)實時保存至SD 卡，通過TFT 液晶屏操作實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢和相關參數(shù)設置及控制，并經網口接4G 路由，將數(shù)據(jù)上傳至中心平臺。匯總器對當前的測量值進行判斷，實現(xiàn)揚塵超標報警，同時啟動霧炮等防塵設備，并通過串口或IO 擴展模塊觸發(fā)攝像頭進行視頻抓拍取證。

4 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括揚塵檢測單元、噪音檢測單元、氣象五參數(shù)檢測單元的軟件設計，匯總器的軟件設計，中心平臺的軟件設計及智能管理終端的軟件設計。其中，揚塵、噪音及氣象五參數(shù)檢測單元的軟件設計，主要包括液晶觸摸屏的按鍵顯示編程，結合傳感器的接口要求進行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++進行編程[5]，方便可靠，便于遠程升級和功能擴展。程序采用多線程的方式編寫，便于并行運行，包括TFT 的操作顯示編程、串口通信編程、網絡通信編程、IO 口控制編程、時鐘編程等，其主程序流程如圖7 所示。

圖7 匯總器主程序流程

中心平臺采用Java+MySQL 進行編程[6]。主要包括網絡通信，實現(xiàn)與各點匯總器的通信，對接收的協(xié)議進行解析，對解析的數(shù)據(jù)進行保存、呈現(xiàn)及記錄查詢等，并實現(xiàn)遠程控制。

智能管理終端的軟件以Android 和OS 兩種平臺進行設計，以便滿足不同的操作系統(tǒng)需要。

5 結束語

針對目前建筑工地、道路施工點位多、監(jiān)控困難的現(xiàn)狀，結合ARM 和物聯(lián)網技術給出了一種智能揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)的具體設計方案?，F(xiàn)場長時間運行實踐表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實施簡便，適于環(huán)保部門多級管理。該技術還可用于對其他污染因子的監(jiān)測監(jiān)控，以實現(xiàn)節(jié)能減排，促進大氣治理，具有一定的推廣應用價值。