面向智慧工地监管的物联网设备设计与系统实现

2021-08-09练文广

电子技术与软件工程 2021年11期

练文广

（江门明浩电力工程监理有限公司广东省江门市 529000）

我国正在快速推进城市化进程，各地的建设项目正在如火如荼的进行。如今我们已经迈入了信息化时代，信息处理技术、传感技术与互联网技术都得到了大幅发展，延伸出来的物联网技术也得到了广泛运用。人们逐渐将这些新型技术与城市智慧工地建设进行关联。虽然市场上已经出现了各类智能化工地管理设备，但是在实际运用过程中仍然显现出不足之处，有待改善。因此，需要针对智慧工地监管的物联网设备设计与系统实现方案进行深入探究，进而提升城市工地监管效率。

1 相关技术与资源分析

1.1 系统总体介绍

想要对智慧工地监管的物联网设备设计与系统实现方案进行优化，需要正确了解智慧工地监管系统的构成，掌握这个系统的工作原理。智慧工地监管系统通常是由智慧工地数据云服务平台、后台应用综合平台、智慧工地监管物联网设备、电源供电系统等组合而成。这个系统囊括了物联网、大数据云服务、无线通信以及人工智能等技术，能够迎合当前工地信息化建设的需求。这项系统的工作原理需要各个组成部分的衔接配合。前端电源供电部分、外部电源与电池可以进行自动切换为智慧工地监管的物联网设备提供电力保障。监管设备在收集到各个传感器的数据之后，能够将其呈现在工地现场的液晶屏幕上。与此同时，将传感器与视频流数据利用无线网络上传至智慧工地的云服务平台，令数据的物接入、规则引擎、音视频直播等功能得以实现。拥有权限的用户可以通过综合管理平台进行数据云服务平台的物接入、数据库提取和处理、视频监控，能够让智慧工地实现远程、高效率、实时的监管。

1.2 系统关键技术

这项系统运用的技术主要包括短距离无线通讯技术当中的Wi-Fi 技术与RFID 技术、远距离5G 移动通信技术以及串口通信技术。短距离无线通讯技术在近些年来取得了广泛运用，因为短距离无线通信产品的使用与需求日益增加。而且半导体工艺和无线技术等领域的发展带动了短距离无线通信技术在各个领域的运用。短距离无线通信技术比较适合在一些现场环境复杂的地方使用，因为这些地方往往难以进行有线传输方式的布线工作。短距离无线通信技术包含多个内容，而在面向智慧工地监管的物联网设备内部主要采用了其中的Wi-Fi 技术和RFID 技术。Wi-Fi 作为无线局域网的一种，非常适合需要高效传输速率或者大范围覆盖的无线通信场地。RFID 技术则具有较为精准的扫描设备能力，识别距离也非常灵活方便。当前的移动通信技术已经有4G 转向为5G，拥有更加迅速的传输速度。这项技术可以在不依靠电缆的情况下构建超高速信息公路，被广泛运用到无线高效传输的各个领域当中，较为常见的有无线视频监控场地。5G 移动通信技术与之前的3G、4G 相比较，拥有更高的数据传输速度，信号覆盖范围也更广泛，能够迎合面向智慧工地监管的物联网设备与智慧工地数据云服务平台的数据传输需求。串口通信技术是当前计算机与工控设备上较为常用的一种串行通信协议。串口通信是将单条线上的字节按照一定顺序进行数据的传输，虽然与并行通信数据传输相比速度要慢一些，但是能够大大减少传输线。这样的技术特点能够迎合对传输速率要求不高的场合需求，降低了布线所需要花费的成本。

1.3 硬件资源选型

图1：软件处理流程图

硬件资源选型主要包括两个方面，第一是设计网管设备和传感器无线适配设备所涉及到的模块，第二是智慧工地监管的物联网设备各传感器组建与显示屏幕的选择。在进行模块的选择时，可以从MT7620A 无线Wi-Fi 核心模块、GPS 模块、5G 通讯模块、UART转Wi-Fi 模块以及RFID 读头模块这五个方面入手，不同的模块在接受灵敏度、有效距离、定位精度等参数方面有所差别，能够迎合不同工序的需求。在进行传感器与显示屏的选择，主要包括了扬尘温湿度气压一体传感器、超声波风速风向传感器、噪音传感器、高清监控摄像头、RFID 标签、液晶显示屏这六个方面。由于工地施工的复杂性，需要对各个工序进行严格的监管与施工，进而确保建设项目的顺利推进。

2 硬件设备的设计与实现

2.1 传感器无线适配设备设计

2.1.1 硬件设计方案与电路设计

传感器无线适配设备的工作原理是ARM 微控制器在借助UARTTIL 转RS485 电路，通过对外部环境的扬尘噪音温湿度气压一体传感器以及超声波风速风向传感器监测数据进行收集，然后利用UARTTTL 转RS232 电路收集噪音传感器的各项监测值。将收集到的各项数据进行分析和处理，并且在UART 输送到Wi-Fi 模块，最后利用Wi-Fi 通讯技术将各项数据发送到物联网网管设备。

为了保障传感器无线设配设备能够正常运行，需要制定合理的电路设计。首先，需要让外部电源借助板上接线端子经过二极管进入电源转换芯片的输入端，在MP2359 芯片处理之后输送出5V，满足外部噪音传感器的用电需求。在此同时，5V 作为当前LDO 电源芯片的输入端，在经过AMS117-3.3DE 处理之后会产生3.3V 输出电压，为电路中的各个模块进行供电。微控制器芯片的外部串口1 为UART1,会与收发器芯片SP3232 进行连接，进而引出适配相关设备外部的接口RS232。微控制器芯片的外部串口2 即UART2与收发器芯片SP3485 进行连接，能够引出适配设备的外部RS485接口，最后将UART3 与Wi-Fi 模块的ESP-12F 进行有效的连接，能够发挥出Wi-Fi 的通信功能。除此之外，适配设备硬件应当在合理保留ISP 串口的下载电路、LED 标示灯电路等部分。在为各个功能模块进行电量的输送供给时，还可以提升电路的稳定性。

图2：网络进程的流程图

2.1.2 软件处理流程

软件处理流程（如图1）主要包括三个层面：

（1）与网管设备进行Wi-Fi 连接。网管设备作为Wi-Fi 模块中的热点AP，将传感器无线适配设备当做站点的STA，能够在上电之后自动连接网关设备的Wi-Fi AP。在软件工作流程方面，网关设备是TCP 的服务端，而传感器无线适配设备则是成为了客户端，在关联了Wi-Fi 之后，能够自动再一次连接TCP 的服务端。

（2）传感器数据采集、分析与处理。在通过传感器了解了各项监测设备的数据之后，运用合理的技术进行数据的分析与梳理，完成数据的解析与处理工作。在这项工序完成之后，可以让各项数据更加清晰明了，保障软件工序的正常运作。

（3）与网关设备Wi-Fi 通信。在接收了网关设备发送的数据之后，完成数据的解压与分析工作，将各类传感器数据进行组织归纳，及时上报给网关设备。

2.2 网关设备设计

2.2.1 硬件设计方案

在设计物联网网关设备的时候，需要了解它的构成部分，了解各个电路模块的关系与作用。物联网网关设备主要是由Wi-Fi 核心模块电路、GPS 定位模块电路、USB 转换电路、串口转换电路以及电源处理电路等部分构成。在这些模块电路中，USB 转换电路还分为两者，即USB HUB 转换电路和USB 转串口UART 电路。在了解电路的构成以及类别之后，进行硬件设计方案。它的工作原理是无线Wi-Fi 核心模块当中的CPU MT7620A 在接受了外部无线传感器的相关数据之后，会利用串口UART TTL 电路将RFID 读写器和GPS 定位模块中的数据进行上报，并且利用有限网络接口将外部高清摄像头视频数据进行接收采集。在接受了众多的传感器数据之后，工作人员能够通过相应的端口和电路将其展示在外部液晶屏幕上，实现了本地实时展示。同时将这些采集到的数据进行分析处理，将最后的结果转变成百度云端物接入格式，借助USB 与电路进行连接，发送至5G 通讯模块，5G 通讯模块再将数据上传至智慧工地数据云服务平台。

2.2.2 软件处理流程

物联网网关设备软件的工作流程是针对各类传感器、摄像头视频数据进行采集、分析处理和传输的过程，能够使其与智慧工地数据云平台和综合化管理系统进行有效的对接。由于应用程序在OPENWRT 系统中运用了多进程与多线程方式，所以应当了解这些进程与线程的功能与处理流程。首先是守护进程，它能够监测主进程、网络进行的实时状态，在发现异常退出的时候能够快速重启相应的进程，提升设备的稳定性。其次是网络进程（如图2），利用无线通讯模块实现拨号上网的目的，对当前的网络状况与信号强度进行检测。在出现网络异常的情况下，会对模块展开复位或重启。随后是主进程，它能够实现视频推流服务的启动，展现多个线程，令每个线程都能够对相关事物进行独立运行，主线程在这个时候起到了协调作用。

3 构建智慧工地数据云平台

通过设计数据云平台，能够有效提升相关数据处理工作的便捷性。面向智慧工地监管的数据云平台，可以将百度天工-智能物联网平台作为基础，使其具有百度云的大数据分析和处理能力，便于提供各类物联网服务。例如在物接入、物管理与规则引擎等方面，能够将云端与本地设备进行无缝对接，提升了各类数据采集、传输、计算、展示、分析等工作的效率。数据云平台在对百度天工-智能物联网平台进行设计构建之后，能够发现它的四大优势。首先是大平台的一站式，能够在数据接入、分析和存储等方面得到全天候的服务。其次是数十亿设备的有效接入，可以实现大量设备的快速接入，并且具有很强的扩展性。再次，支持多种协议接入。最后，可以对海量数据进行分析处理，从而发现具有价值的应用数据。

4 建立综合管理平台

为了让面向智慧工地监管的物联网设备设计与系统实现，应当积极构建综合管理平台。通过工地的实际情况，完善平台的架构，令管理平台的功能得到保障。想要让综合管理平台发挥出有效的作用，需要保障以下四个功能，即监测设备的管理、采集数据的处理与展现，超标数据的实时预警、现场视频监控。首先是监测设备的管理。管理工作主要是针对现场监测设备的启动与停用，让监测设备可以获取精确的地理位置，合理设置参数，掌握监测设备的状态。其次，采集数据的处理与展现。将传感器采集到的数据如噪音、风速、温度等进行分类，通过不同维度进行分析和展示。再次，超标数据的实时预警，在进行现场监测的时候，在出现超标数据的时候应当及时预警，便于人们能够在第一时间发现问题，并且对这些问题进行分析判断，制定出合理的解决对策。最后，现场视频监控。在合理设置了监控探头之后，使监控视频与平台进行关联，用户能够在平台内实时观看现场视频监控。