基于物联网技术的智能扬尘在线监测系统设计

2021-11-17阳俐君顾乔轩刘卓魁黄凯轩钟久隆

南通职业大学学报 2021年3期

阳俐君，顾乔轩，刘卓魁，黄凯轩，钟久隆

（南通职业大学电子信息工程学院，江苏南通 226007）

0 引言

随着经济的迅猛发展，城市化进程不断推进，建筑和道路施工工程数量激增。户外作业条件下不可控环境因素较多，施工过程中极易引起扬尘和噪音污染。据统计，中国大部分城市的可吸入大气颗粒污染物，有40 %左右来自建筑施工，部分城市甚至达到了50 %[1]。扬尘和噪音等污染对居民健康造成严重危害，国家已出台相关规定，要求对建设工地加强管理。由于建筑工地、道路施工点位多、监控困难，市场上现有扬尘监测装置功能单一、价格昂贵，并不能很好地满足环保部门的要求。鉴于此，基于物联网、视频抓拍、智能控制等技术，设计一种扬尘智能在线监测系统，实现对施工现场的扬尘、噪音及气象参数的实时采集测量和监控，以期为环保部门提供一种科学合理的监控手段。

1 智能在线监测系统的组成

智能在线监测系统由现场感知层、中心平台、智能管理终端三大部分组成，系统的拓扑结构如图 1 所示[2]。

图1 系统拓扑结构

现场感知层由数据汇总器、噪声检测单元、扬尘检测单元、气象五参数检测单元、视频取证单元等组成，实现对污染源数据全方位、全过程收集，并可对雾炮等防尘设备实现控制。现场感知层通过有线或无线网络与中心平台进行实时通讯。其中视频取证选用以开关量触发或通讯触发抓拍，具有云平台的摄像头，可直接和中心平台传输视频，提高传输速度。

中心平台由前端数据采集系统、后台数据处理系统及信息监控应用管理平台组成，实现对现场感知层数据的接受、存储与处理，并呈现给用户。

智能管理终端则包括一系列的手持式终端设备，实现对现场状况的实时跟踪查看与管理，处理和解决应急突发事件。

2 传感器单元的硬件设计

系统主要传感器单元包括：扬尘在线检测单元、噪音检测单元、气象五参数监控单元。

为了生产方便，本设计对各传感器单元采用统一的核心板进行数据采集和控制，如图2 所示。

图2 核心板组成框图

核心板以宏晶科技生产的宽电压2.5~5.5 V高速 1T 单片机 STC15W4K48S4 为核心[3]，外接触摸液晶屏、RS232 模块、无线模块、AD 扩展模块、IO 扩展模块、串口扩展模块等。

（1）单片机和触摸液晶屏Usart-GPU26ATP的连接

Usart-GPU26ATP 是 2.6 吋分辨率 320×240的指令触摸屏，内存为4 MB，操作简单，适宜各类物联网传感节点的应用。其与单片机通过图3 所示的串口连接，再经指令交互即可工作。

图3 单片机和Usart-GPU26ATP 的连接

（2）RS232 模块和无线模块

单片机的串口1 RXD/TXD 通过RS232 芯片构成RS232 模块，实现程序的下载及与汇总器的通信。同时，通过跳线与无线模块DL-22 连接，实现单片机和汇总器在1 000 米内的无线通信。

（3）AD 扩展模块

AD 扩展模块选用周立功公司生产的8 通道 0~20 mA 电流采集模块TPS08U，供电电压为3.3 V，满量程精度达0.1 %，其接口见图4。

如图4，单片机通过SPI 通信接口与TPS08U连接，被测电流选择CH1-H、CH1-L 到CH8-H、CH8-L 某接口进行输入，由单片机通过指令读出采集的电流值，再采用式（1）计算得到对应传感器测量的噪音等参数值。

图4 TPS08U 接口

其中：Ov 为结果（实测值）；Iv 为测量的电流实测值（4~20 mA 电流信号）；Osh 为结果（实测值）的高限，即量程高限；Osl 为结果（实测值）的低限，即量程低限；Ish 为测量的电流高限，对应为20 mA；Isl 为测量的电流低限，对应为4 mA。

（4）串口扩展模块

单片机STC15W4K48S4 具有4 个独立串口，本设计将串口3、串口4 外扩RS232 芯片和RS485 芯片，实现232/485 接口，便于和其他设备进行通讯使用。

（5）IO 扩展模块

为了实现相关的开关量输入和控制，本设计将部分单片机的口线连接光耦作为输入，连接继电器作为输出。

2.1 扬尘检测单元的设计

系统的核心部分为扬尘检测单元，选用青岛品锐电子有限公司生产的SLPD-D01 传感器实现扬尘数据采集。该传感器是一款利用光学对空气中颗粒物浓度进行检测的数字传感器，其内置MCU 运算系统，可以通过串口实时输出当前环境扬尘浓度，单位为μg/m3。

SLPD-D01 传感器和核心板串口扩展模块的串口3 进行通讯，波特率为 9 600 bps，数据类型为八位数据位、一位停止位、无奇偶校验。

SLPD-D01 传感器模块每隔2~3 秒将所采集的扬尘浓度按表1 的格式发送给单片机。

表1 扬尘检测数据包格式

其中：扬尘浓度（μg/m3）=浓度高字节×2^8+浓度低字节；校验字节=前面所有数据字节之和。

单片机通过对该数据包进行实时解析，便可得到扬尘浓度。

2.2 噪音检测单元的设计

噪音传感器选用明唯希星的WS700A5 精密噪音计，其主要技术参数如下：

供电电压：DC 12~24 V，可选DC 5 V

测量范围：0~130 dB

测量精度：0.5 %

工作温度：-40~60 ℃

输出模式：4~20 mA

WS700A5 传感器和核心板的AD 扩展模块的 CH1-H、CH1-L 连接。

单片机将读到的电流值和测量范围（即对应的量程上下限）0 dB、130 dB 代入公式（1），便可得到所测的噪音值。

2.3 气象五参数检测单元的设计

本系统通过对气象五参数的检测，为扬尘和噪声监测数据的后期分析提供气象参数保障。气象五参数包括温度、湿度、风速、风向、大气压等环境参数。

温湿度的测量选用1 线制传感器DHT11，DHT11 的 1 脚为电源供电 3.55～5 V；2 脚为输出out；3 脚为电源负极。本设计中，DHT11 的 2 脚与核心板IO 扩展模块的1 个IO 口相连，实现1 线制通讯。

风速、风向的测量选用北京飞超风速控制仪器有限责任公司生产的FC-2A 风速传感器和FC-4XQ 风向传感器，其输出均为4~20 mA 的电流信号。

FC-2A 风速传感器测量范围有0~5 m/s、0~ 30 m/s、0~70 m/s 可选，测量精度为±2 %，分辨率为0.1 m/s 。

FC-4XQ 风向传感器的测量范围包括4、8、16方向及0~360°全方位可选，测量精度为±1°。

大气压传感器选用RS-QY-I20-2-4，其测量范围为大气压0~120 kPa，电流输出4~20 mA。

上述传感器和核心板的AD 扩展模块的CH1-H、CH1-L 到 CH3-H、CH3-L 分别连接，利用公式（1）进行计算，便可得到风速、风向、大气压对应的测量值。

3 汇总器的设计

结合实际需求，选用周立功公司生产的M335x-T 系列核心板作为汇总器的主控板。该核心板采用 TI AM3352 处理器，800 MHz 主频，集成6 路UART，1 路百兆网接口、1 路千兆网接口、I2C 等功能。在该核心板基础上，外扩IO 模块、SD卡、TFT 液晶、时钟、4G 路由等，组成框图如图5所示，M335x-T 系列核心板硬件接口如图6，具体应用参考该模块的详细说明书。

图5 汇总器组成框图

图6 M335x-T 系列核心板硬件接口

汇总器和扬尘检测模块、噪音检测模块、气象五参数检测模块通过串口（有线或无线）进行通讯，将所有的测量数据实时保存至SD 卡，通过TFT 液晶屏操作实现历史数据查询和相关参数设置及控制，并经网口接4G 路由，将数据上传至中心平台。汇总器对当前的测量值进行判断，实现扬尘超标报警，同时启动雾炮等防尘设备，并通过串口或IO 扩展模块触发摄像头进行视频抓拍取证。

4 软件设计

系统软件设计主要包括扬尘检测单元、噪音检测单元、气象五参数检测单元的软件设计，汇总器的软件设计，中心平台的软件设计及智能管理终端的软件设计。其中，扬尘、噪音及气象五参数检测单元的软件设计，主要包括液晶触摸屏的按键显示编程，结合传感器的接口要求进行AD、单总线等的编程，通讯编程等[4]。汇总器通过在M335x-T系列核心板安装Linux 系统，采用QT 和C++进行编程[5]，方便可靠，便于远程升级和功能扩展。程序采用多线程的方式编写，便于并行运行，包括TFT 的操作显示编程、串口通信编程、网络通信编程、IO 口控制编程、时钟编程等，其主程序流程如图7 所示。