基于LoRa技术的施工现场污染源监测系统

沈志勇 严再春 李鑫奎

上海建工集团股份有限公司 上海 201114

为实现建筑业的可持续发展和建设资源节约型、环境友好型社会的目标，“四节一环保”越来越受到全社会关注，特别是降低施工现场污染排放对降低能耗、保护环境、保障施工人员健康具有重要意义。

1 施工现场污染源

施工现场污染源种类众多，主要包括噪声、粉尘、废水、废气、光等。

噪声：噪声源根据不同施工阶段而有所不同。地下施工阶段以打桩机、挖土机、钻孔机等大型机械设备为主；结构施工阶段以混凝土施工、振捣棒、电焊为主；装修阶段以重力敲打、切割、冲击钻、电钻等为主。噪声污染不仅影响周边居民正常生活，更对施工人员的身心健康有着长远影响。

粉尘：粉尘主要来源于施工现场切割及打磨材料、钻孔、粉质材料处理及因风引起的扬尘。PM10由于粒径较小，被人体吸入后会造成呼吸系统和循环系统的损害，引发哮喘、心脏病、肺病等疾病。施工扬尘对施工人员职业健康威胁较大，对城市环境也有较大影响。

废水：废水主要来源于施工现场的材料及设备清洗，特别是施工过程产生的泥浆。泥浆不仅会堵塞排水管道，干燥后还会变成灰尘，从而直接影响人们的身体健康，污染环境。

光：施工现场的光主要来源于焊切弧光及夜间施工的强光等。光污染不仅影响人们的正常睡眠，更会对人的眼睛产生不可逆转的影响，有致白内障甚至致盲的风险。

综上所述，施工污染源对施工人员的职业健康有着直接和长远影响，国家和相关部门陆续颁布了一系列法律法规和标准文件，以防治施工污染源，保护和改善从业人员的工作环境和生活环境。

获取污染源信息的量化数据，对污染源数据进行实时监测是实现施工污染源防治的前提。在国外，污染源监测技术已发展多年且相对成熟。在我国，随着信息化技术与物联网技术深入应用于土木工程行业，信息化施工与监测已被土木工程师普遍接受[1-4]，但现有污染源信息监测手段存在以下问题：

1）采集方面：监测项目种类多，不同类型的监测需要采用不同协议，采集到的数据解析存在一定难度。

2）传输方面：采用有线方式，存在布线麻烦、容易损坏等缺点；采用无线方式，数据衰减严重。

3）数据处理和展示方面：大量数据的采集与处理对技术要求较高。

2 施工污染源监测系统设计

2.1 系统设计思想

施工污染源监测系统通过电子产品获取施工现场污染源变化情况，充分利用信息化产品的特点，发挥电子产品的实时高效性。该系统硬件设计的宗旨是：可靠、安全、稳定、持续。可靠是指采集到的数据必须是正确的，不能因为在途中受到电磁干扰或其他原因影响使数据发生改变；安全是指在数据传输过程中的安全性和私密性，数据包中的信息只能从起点到达指定的终点，其间不能被未经授权的其他仪器截获；稳定是指产品稳定运行，不会经常出现故障；持续是指在合适体积下采用合适的电池，并且在程序以及硬件设计中拥有低功耗功能，使得模块的平均功耗降低，达到尽可能延长电池持续供电时间的要求。

2.2 传输方案选择及总体架构

建筑施工现场环境十分复杂，施工环境、污染源及污染源大小会因施工阶段不同而发生变化，采集污染源数据的节点模块所处环境也相应变化，可能会出现遮挡、衰减、干扰等一系列情况。综合考量各种传输方案的优缺点，建议采用LoRa技术实现施工现场数据传输。它采用线性调制扩频方式，能显著提高接收灵敏度，实现了比其他调制技术更远的通信距离。

硬件系统由网关、数据采集节点2个部分组成。

网关：每个网络布置单个协调器节点，具有网络最高权限，所有命令通过协调器转达，所有的数据都会经过协调器传输到上位机，协调器同时还需负责系统的安全以及执行其他方面操作，保持与系统内部其他设备的通信。

数据采集节点：数据采集节点负责数据的采集工作，并将信息发送至网关。

2.3 网关设计

硬件中协调器由数据处理器、4G网络、LoRa模块、USB接口以及存储器构成，其中数据处理器从LoRa内网获取数据并分析处理后，将数据存储于存储器中，协调器在接收数据后将符合协议格式数据通过4G网络传到远程服务器上。网关结构如图1所示。

图1 网关结构示意

2.4 采集节点设计

硬件中的采集节点由电源电路、数据处理器、存储器、时钟电路、状态显示电路、采集接口电路以及LoRa模块构成，如图2所示。其中电源电路为系统各模块供电，数据处理器是系统运算和控制核心，状态显示电路用于显示当前采集终端的情况，时钟电路作为数据处理器的时基，采集接口电路用于系统调试及参数配置。

图2 数据采集节点结构

2.5 上位机软件实现

上位机监测软件是整个系统的另一核心。在该部分中，用户通过登录该系统进行参数设置，整个系统通过Tomcat服务器在线发布，用户可在任何1台PC机上完成数据查询、预警、系统管理与维护工作，该系统上位机部分分成温湿度、噪声、光照、PM10、废水等5个模块。

3 系统试运行

本系统首次运用在某一混凝土搅拌站。混凝土搅拌站在生产过程中会产生大量的粉尘、废水和噪声等，

3.1 设备监控系统的结构设计及实现原理

3.1.1 硬件组成

系统硬件包括以下几个部分：粉尘浓度传感器，监测施工现场粉尘浓度；噪声、温湿度、光照传感器，监测噪声、温湿度等信息；污水传感器，监测水流中污水浓度；数据采集器，采集传感器信息；数据采集网关，收集采集器数据并将数据传送至服务器；服务器数据库及上位机，用于存储远程数据，用户可通过Web界面进行查看。

3.1.2 设备监控系统结构

设备监控系统结构如图3所示。

图3 设备监控系统结构示意

3.1.3 在线故障检测

系统实现在线故障检测步骤：

1）实时采集混凝土生产设备不同作业点的粉尘浓度、振动加速度、噪声声压级及搅拌机主机电流的参数信息。

2）混凝土生产设备运行一段时间后，分别计算该段运行时间内的粉尘浓度、振动加速度、噪声声压级、搅拌机主机电流的参数平均值和比较值。

3）将实时采集各参数信息与步骤2计算得到的各个参数平均值、比较值进行对比，判断各个参数是否存在异常信息。

该系统分为两大模块：数据采集模块和数据分析预警模块。数据采集模块主要通过单片机芯片连接各种传感器，将电流、振动加速度、粉尘、噪声和温度等一些同设备相关的重要数据采集后，通过远距离433 MHz的通信，将数据发送至远端的数据分析预警模块。数据预警分析模块接收到上述数据后，对这些数据进行智能分析（智能分析必须等待数据采集超过7 d后才能达到一个理想的分析预警过程），经过分析后对有潜在故障的信息通过微信或者QQ发送至指定人员手机或者其他终端设备。

3.2 调试及现场安装

在混凝土搅拌站的合适位置安装了相应传感器及通信模块，实时监测粉尘、噪声、温度、湿度等参数。

3.3 试运行效果

系统在搅拌站试运行期间运行稳定，未出现现场数据传输等问题，设备满足数据采集需求，通过信息化手段获取和提供搅拌站污染源信息，可使相关人员实时了解周边现场环境，为现场环保工作开展提供数据支持。

该系统运行后大大降低了设备管理人员的工作强度，提高了工作效率，将搅拌站转变为基于物联网的数字化现场。目前，该搅拌站已实现生产数据的可追溯性，可随时随地通过互联网查看各个站点最新的生产情况，以及自定义地对各类数据进行统计分析，大大提高了工作效率和数据的准确性。

4 结语

通过基于LoRa技术的施工现场污染源监测系统研究与应用，取得了以下效果：

1）实现了多项施工现场污染源的自动化采集，提高了污染源采集效率。

2）监测系统可实时提供污染源参数，系统显示与环境参数同步更新。

3）监测系统可实现大数据分析和预警功能，从而能在污染超标的第一时间采取相应措施，改善了人员的作业条件，减少了环境污染。同时也转变了现有企业管理模式，通过人工智能分析和预警给企业决策和绿色生产带来质的飞跃。