基于物联网的工地工程环境监测系统的设计与实现

II前言伴随全球城市化脚步的不断加快，建筑业属于现代经济发展的关键形成局部，建筑工程施工现场环境的经营和监督变得越发受重视，在以往的工地经营当中，环境要素时常被忽略或者没有得到有效监督，噪音，空气质量，温湿度这些环境参数的起伏不但会左右施工效率，而且会径直影响工人的健康与安全，伴随着物联网（IoT）技术飞速发展，给建筑工地环境检测供应了一种崭新的解决办法，物联网把各种传感器同无线通讯技术融合起来，可以随时收集工地环境数据，再传送到云端平台加以剖析和处理，进而达成对工地环境的智能化监督。依靠物联网技术的工地环境监测系统可有效地弥补传统人工巡检存在的短板，规避人工观察所造成的疏漏与时效不佳现象，这个系统能及时监测温度，湿度，噪音，空气质量等诸多环境要素，并凭借无线通信模块把这些数据上传到云平台，使用者可以通过PC端或者移动端随时查阅监测数据，而且按照预先设定好的界限实施环境警示，这种智能化的监督既有益于保护工人身体健康，又能优化工作效能，还给施工现场的经营人员赋予了更为精确的决策依照。本课题要完成一个基于物联网的工地工程环境监测系统的设计与实现，利用先进的传感器技术，无线通信技术以及云平台的强大能力，打造一个集成数据采集，传输，存储，分析和显示于一体的系统，让管理者随时掌握工地环境情况，尽早发觉危险因子，采用恰当的控制手段来降低环境因素造成的安全隐患，改善工地的总体安全水平。

1绪论1.1研究背景与意义（1）研究背景 现代社会里，建筑行业属于经济发展的关键支撑部分，它极速扩充规模，给满足城市化进程和基础设施需求带来许多工作岗位，不过，建筑施工作业常常会产生明显的环境问题，噪声，水污染，空气污染以及固体废弃物生成等等情况，按照有关研究显示，建筑业所带来的环境影响并非仅仅限于项目开展期间，而且还会延续到工程结束之后很长一段时间，特别是处于城市人口聚集地带的时候，施工时产生的各类污染物，对于周围居民的生活品质以及身体健康有着很大的危害。近些年来，环保理念渐渐深入人心，各个国家的政府以及社会大众对于建筑工程施工期间的环境监测与经营有着更高的期许，要想达到这些期许，以往那种依靠人力展开监测的方式已经无法符合快速变动的施工环境状况，于是便产生了对既有效又及时的环境监测技术的急切需求，这样就促使物联网（IoT）技术被运用到环境监测方面来。物联网技术依靠智能传感器，无线通信以及云计算这些技术手段，可以做到对施工现场环境的即时观测并展开数据分析，从而给予环境治理及管理决策以科学依照，而且，物联网的应用并非仅仅局限于环境检测方面，其还能助力改善施工流程，提升资源利用率，减小工作风险等，以此来促使建筑行业达成可持续发展，所以说，依托物联网的工地环境监测系统的设计与完成，既是解决建筑行业环境难题的有力举措，也是做到智能建筑经营的关键形成局部。（2）研究意义此项研究具备诸多意义，其一在于助力建筑行业完成数字化变革，利用物联网技术把以往的环境检测手段更新为智能且自动执行的方案，其二则要削减由于环境要素引发的工人健康状况欠佳以及出现安全事故等情况，改善总体安全标准水平，这种监测体系可促使企业遵照环保相关法律法规办事，加强社会责任感并优化企业形象，而且通过依靠数据实施决策，改进施工经营的科学性，做到工期缩短，花销减少，公开化的环境监测数据能够增进大众及其周围邻居对于项目工程的信任感，有益于营造企业同社区之间的友好联系。1.2物联网技术概述物联网（InternetofThings,IoT）指的是借助互联网把各类物理设备，传感器，软件以及网络关联起来，达成设备间数据交换并实施智能控制的一种技术架构，它的关键理念在于“万物皆可相连”，通过给予物体感知，通信和计算的能力，使得这些物体可以自行展开协作，进而给用户带来智能化的服务，物联网这个概念最开始是KevinAshton在1999年提出来的，历经二十多年的发展历程，从最初的理论探究慢慢过渡到现实生活中的具体应用，变成推进社会向数字化方向变革的一股重要力量。物联网的达成依靠诸多关键技术共同发挥作用，这些技术包含传感器技术，网络通信技术以及数据处理与分析技术，传感器技术充当着物联网的“感觉器官”，承担着收集物理世界里各类环境参数（诸如温度，湿度，光照，压力等等）的任务，现代传感器具备高精度，低能耗并且体积小巧的特性，可以随时监测周围环境的改变状况，而且凭借自身校准和自我判断的能力来优化所获数据的可信度，网络通信技术则扮演着物联网“神经脉络”的角色，其职责在于把传感器所搜集到的数据传送到云端或者别的设备上去。按照传送距离与功耗需求来划分，物联网通信技术包含短距离通信技术（诸如Wi-Fi，Bluetooth，ZigBee之类）和长距离通信技术（譬如4G/5G，LoRa，NB-IOT等），它们给物联网赋予了多种且有效的通信手段，以适应各种不同的应用情形。数据处理与分析技术是物联网的“大脑”，其承担着对所采集到的数据执行存储，分析以及挖掘的任务，伴随物联网设备数量不断增多，数据量逐步增大，云计算，边缘计算以及人工智能等技术成了数据处理时不可或缺的手段，云计算具备很强的计算及存储能力，可以支撑海量数据的处理；边缘计算会在设备端预先展开数据处理工作，从而削减数据传送时延；人工智能凭借深度学习和数据挖掘技术来做到智能化的决策与控制。物联网技术被全面应用于许多领域，促使社会朝着智能化与数字化方向发展，在智能家居方面，物联网技术达成了家庭设备的远程操控以及智能化运作，在智慧城市范畴内，物联网技术改善了城市基础设施的经营状况，譬如智能交通，环境检测等，在工业互联网领域，物联网技术提升了生产效能和设备的可靠度，而在环境检测当中，物联网技术给环境保护和灾难警报赋予了数据支撑。未来，伴随5G技术不断普及，边缘计算逐步兴起，再加上人工智能深入融合，物联网将会在更多领域起到关键作用，而且，数据安全和用户隐私保护会变成物联网发展的重点研究方向，本项研究把物联网技术用在观赏鱼缸管理方面，试图考察它在智能家居领域的应用潜力，给用户赋予更为高效，可靠的管理办法。1.3工地环境监测需求分析建筑工地环境监测重点在于温湿度监测，噪声监测，粉尘监测，空气质量监测等诸多方面，下面这些属于重要的监测需求：：温湿度监测：温湿度会给施工进度，建筑材料以及工人健康带来直接影响，通过温湿度传感器来即时观察工地的环境状况，保证施工材料得以合适保存，而且保障工人处于健康的环境之中。噪声监测：建筑工地往往存在严重的噪音污染，工人若长时间暴露在噪音之下，其听力及心理健康均会受到不良影响，而噪音检测利于尽早察觉噪音超标的情形，并实施对应的管控举措。粉尘监测：建筑工地的粉尘污染也是一大隐患，工人长时间处在粉尘环境里易患呼吸系统疾病，粉尘监测系统可随时监测工地粉尘浓度，守护工人健康。空气质量监测：通过检测工地的PM2.5等有害气体浓度，立即知晓工地空气质量情况，给工人营造出新鲜空气的工作环境，减小患病风险。风速检测：工地环境风速监测对于保障施工安全，把控施工进程以及减轻环境污染非常关键，通过即时监测风速，可以迅速采取安全举措，恰当规划施工行动，缩减扬尘与噪音给周围环境造成的危害，而且能给气象警报及数据统计给予支撑。1.4环境监测系统的应用现状当下，依靠物联网技术的工地环境监测系统已被全面应用于世界各地，特别在某些发达区域和国家更是如此，此类系统凭借传感器，无线网络，云计算等技术达成了对建筑工地环境的即时且精准的观测，其突出表现在如下几处：：1.实时监测与数据获取：依靠物联网的监测系统可随时得到工地各种环境数据，涉及温度，湿度，噪音，PM2.5浓度以及像一氧化碳，氮氧化物之类的有害气体含量等情况，这些数据通过无线输送技术被迅速传送到云平台上，从而方便日后展开分析并给予决策支撑。2.智能分析与警报机制：很多系统具备较强的数据分析及处理能力，其可针对所采集到的环境数据执行即时分析，而且能按照预先指定的阈值实施警报，比如噪音或者有害气体浓度超标时，系统便会自行发出警报，立即告知有关经营人员去处理，从而减小对工人以及周边居民的影响。3.云平台与数据可视化：工地环境监测系统往往依靠云平台来执行数据存储和分析，用户可通过手机或者电脑浏览监测数据的可视化界面，及时知晓环境状况及其变动趋向，这样的可视化表现形式让经营人员得以更为形象地把握施工现场的环境情形，进而实施科学决策。4.环保政策与智能创建相融合：伴随政府对环保政策关注度的提升以及建筑业趋向智能化，更多建筑项目开始采用依靠物联网的环境检测体系，从而保证合乎环境保护标准，诸如某些城市的重要基础设施项目就把环境检测同质量守护关联起来，通过该体系随时监测环境影响，给施工进程给予数据支撑。5.智能化施工管理：依靠物联网的环境检测系统已不再仅仅用于环境检测，更多的系统把它同施工管理，施工安全，资源调配等其他方面结合起来，从而形成起全面化的智能化施工管理方案，这样一种跨领域的融合提升了施工的综合效率和安全性。6.推广及难题：物联网环境监测系统虽在应用上有所收获，不过仍遭遇难题，诸如系统成本，网络覆盖面，数据安全和隐私保护之类的问题还需深入探究并加以解决，而且，针对施工行业人员展开培训以及技术推广同样非常必要，从而保证这些系统得以被充分利用。1.5论文结构安排第一章，作为文章开头，主要描写论文的研究背景与意义，以及关于目前环境监测技术的应用现状，并且对本次环境检测系统的构建进行任务明确。第二章，主要描写了系统主要结构以及各个模块的组成，并且对系统硬件进行分析选择合适的传感器硬件、主控模块、WIFI模块和云平台的选择。第三章，本章节主要介绍本系统的硬件部分，包括整体硬件的电路原理图的搭建，以及对各个硬件的工作模式和环境进行阐述，其中包含引脚与串口的连接。第四章，主要描写了整个系统的工作流程以及各个模块的工作流程，包含了云平台搭建和Android应用程序的设计。第五章，作为论文主要部分的最后一章，描写的是整体系统的测试和成果演示。2系统总体设计2.1系统总体设计方案本系统旨在通过温度、风速、粉尘和空气质量传感器可做到对环境数据的即时检测，数据采集层由STM32主控制器来执行传感器数据的处理任务，之后借助WiFi模块把这些数据以无线形式传送到云平台上，在云平台那里，使用者可以随时查阅并加以分析，从而做到及时作出决策，此套系统具有即时性，灵活性以及便于守护等诸多优点，进而给出了一种行之有效的环境监测解决办法，系统模块分布图如图2.1所示。图2.1系统模块分布图Fig.2.1Systemmoduledistributiondiagram2.2系统结构设计（1）数据采集层主要包含了传感器模块和主控制器模块，其中传感器模块中包含的的传感器型号GY-302光照强度传感器、SY-01噪声传感器、GP2Y1014AU0FPM2.5传感器、MQ135空气质量传感器、DHT11温湿度传感器，主控制器模块采用的是STM32F103C8T6单片机系统板。（2）数据传输层采用ESP8266-01SWiFi模块（3）应用层给巴法云平台储存并查看数据：巴法云平台支持很多种通讯协议，比如MQTT，HTTP等等，可以很方便地把各类IOT设备连接起来，它还有批量处理功能，能迅速添加，设置以及管理众多设备，通过统一的管理界面来提升效率，而且可以随时监测设备状况，使用户立即知晓设备的运行情形，保证系统稳定可靠，该平台还具备即时搜集接入设备数据的能力，并且支持长久保存这些数据。丰富的数据可视化工具，比如仪表盘和图表，可以很直观地表现数据的趋向和改变情况，它所具有的内部数据分析功能允许用户展开数据挖掘和筛选工作，利于找到潜藏的商业机遇或者察觉存在的问题，这个平台的界面设计较为直观，用户操作起来比较简便，能够很快地上手，并能轻松地对设备执行设置和管理，而且该平台还支持移动端访问，这样用户就能随时随处去监测和管理自己的设备，从而进一步优化了便捷程度和灵活性能，使得用户获得更好的感受。（4）显示模块仅为OLDE显示屏来显示数据。图2.2电路板模型Fig.2.2Circuitboardmodel2.3硬件选择（1）STM32F103C8T6单片机STM32F103C8T6是STMicroelectronics公司制造的一款32位微控制器，其采用ARMCortex-M3内核，被大量应用于各类嵌入式系统及应用开发当中，它具有高达72MHz的工作频率，可以满足对处理速度有较高要求的任务需求，这款微控制器具备64KB的闪存以及20KB的SRAM，这给开发者赋予了充足的储存空间以执行复杂的程序与数据操作。在外设上，STM32F103C8T6支持诸如USART，I2C以及SPI之类的众多通讯协议，可以很方便地同其它设备实施数据交换与通讯，而且具备大量的GPIO管脚，可以对接各类传感器，执行器以及外部模块，其内部所集成的12位模拟数字转换器（ADC）可有效地开展模拟信号的采集，适合于传感器数据处理，环境检测等场合。STM32F103C8T6被全面用在物联网设备，智能家居系统，机器人控制，工业自动化，环境监测等诸多领域，依靠自身的高性能与灵活性，给予了一个功能很强又便于操作的开发平台，促使开发者能够在许多领域展开革新设计，STM32F103C8T6实物图如图2.3所示。图2.3STM32F103C8T6单片机Fig.2.3STM32F103C8T6MCU（2）GY-302光照强度传感器GY-302光照强度传感器是以BH1750FVI芯片为基础的数字光传感器，可以精准地测量环境中的光照强度，其单位是勒克斯。这个传感器依靠I2C接口来同微控制器实施通讯，有着便捷的衔接形式，它具备较高的敏感度，而且测量范围很广，适宜于各种不同的应用场合，像是智能家居，农业观察以及室内外照明调度之类的情况，GY-302的体积较为小巧，耗电量也比较低，很合适用在便携式装置和植入式系统当中，GY-302光照强度传感器实物如图2.4所示。图2.4GY-302传感器Fig.2.4GY-302sensor（3）SY-01噪声传感器SY-01噪声传感器属于一种用来检测环境噪声级别的传感器，其被全面用在家居智能，环境检测以及噪声控制体系当中，该传感器依靠高灵敏的声音传感器，可以给出模拟或者数字形式的信号，利于同微控制器（诸如Arduino或者STM32之类）相衔接，SY-01能够随时监测周边的声压等级，大致处于30dB到120dB这个范围之内，适合诸多不同的场合，小到家居住宅的噪声检测，大到工厂车间的环境噪声考量，SY-01噪声传感器如图2.5所示。图2.5SY-01传感器Fig.2.5SY-01sensor（4）GP2Y1014AU0FPM2.5传感器GP2Y1014AU0F属于高灵敏型空气质量传感器，重点用来检测并测量空气中诸如PM2.5，PM10之类的颗粒物浓度，此传感器依靠光散射原理，通过内部设置的LED和光电二极管，可以随时察觉到细微颗粒物的浓度情况，并把它转变成电信号予以输出。GP2Y1014AU0F具备较快的反应速度和较好的线性特征，适合于室内空气质量观测，工厂环境观测以及智能家居设备当中，在实际应用的时候，该传感器可凭借简易的接口同微控制器（像Arduino，STM32这样的）相衔接，利于融入到各类应用场景里面去，进而给出精确的空气质量相关数据，GP2Y1014AU0FPM2.5传感器如图2.6所示。图2.6GP2Y1014AU0F传感器Fig.2.6GP2Y1014AU0Fsensors（5）MQ-135空气质量传感器图2.7MQ-135传感器Fig.2.7MQ-135sensorMQ-135传感器属于被全面采用的空气质量检测用气体传感器，可以检测诸多有害气体，涵盖苯，氨，二氧化碳，醇类等等，这个传感器依靠电导率改变原理来运作，凭借自身内部的铂电极以及敏感材料去应对气体的改变，进而产生同气体浓度成正比例关系的模拟电压信号，MQ-135具备较好的灵敏程度和选择性能，适宜于室内空气质量监测，环境保护之类的场合，它的工作电压达到5V，而且响应时间比较短，这样就能让使用者及时得到有关空气中有害气体浓度的信息，MQ-135空气质量传感器如图2.7所示。（6）DHT11温湿度传感器DHT11属于常用的温湿度传感器，其用途在于检测环境中的温度与湿度状况，具备性价比高，方便易用等特性，适宜各类应用场景，比如智能家居，气象观测以及环境调节，DHT11凭借单总线数字信号输出，可以在单个引脚上传递温度和湿度的数字信息，这样就精简了线路连接，该传感器的测量范围覆盖温度0-50°C，湿度20%-80%RH，精度还算不错，温度方面大概是±2°C，湿度则为±5%RH，DHT11的工作电压处于3.3V到5.5V之间，这使其能与不少微控制器配合使用，像Arduino或者STM32之类的，DHT11温湿度传感器实物如图2.8所示。图2.8DHT11传感器Fig.2.8DHT11sensor（7）ESP8266-01SWiFi模块ESP8266-01S属于热门的Wi-Fi模块，全面用在物联网（IoT）应用当中，其依靠ESP8266芯片，符合IEEE802.11b/g/n无线标准，有着很强的网络关联能力。这个模块自身带有TCP/IP协议栈，可以便捷地接入因特网，从而让它能在各类智能家居，无线传感器网络里达成数据的无线传送，而且，ESP8266-01S体积小，能耗低，适宜于植入空间受限的设备之中。把ESP8266-01S同STM32单片机相衔接的时候存在诸多长处，其一，STM32具备各类通讯接口，比如UART之类的，利于同ESP8266-01S实施数据交换，保证稳定的无线通讯，其二，STM32有着很强的处理能力，可以迅速应对来自ESP8266-01S的数据请求及回应，支撑更为繁杂的物联网应用，其三，STM32的低能耗模式给ESP8266的运用带来了更高的能效，令整个系统长时间运作之时不至于过度耗电，这样一种结合可达成高能效，低能耗的无线输送计划，适宜用在远程监测，智能设备控制等场合当中，ESP8266-01SWiFi模块实物如图2.9所示。图2.9WIFI通信模块Fig.2.9WIFIcommunicationmodule（8）显示模块OLEDOLED显示屏属于一种被全面运用到各类电子设备上的显示技术，对比于传统的液晶显示屏（LCD）而言，它有着更高的对比度以及更为鲜艳的色彩，这是由于每个像素点均可单独发光，并不需要背光源，而且其响应速度更快，可视角度也更大，适宜用来表现动态画面及各种视觉效果，显示模块OLED如图2.10所示。图2.10OLED显示屏Fig.2.10OLEDdisplay把OLED显示屏同STM32单片机相衔接的时候，会产生诸多好处，其一，STM32具备众多接口，这就令其与OLED显示屏展开通信变得更为简易快捷，STM32的处理能力可轻易支撑起繁杂的绘图以及动画显示之类的任务，进而达成较为顺畅的用户界面设计，其二，STM32具有低能耗的特性，再加上OLED本身耗电量也很低，如此一来，在依靠电池来供应电力的植入式应用当中，整个系统就能在很长时间里维持较小的耗电量。2.4本章小结本章节主要简单介绍了系统的主要结构以及系统运作的流程，简单阐述了需要用到的GY-302光照强度传感器、SY-01噪声传感器、GP2Y1014AU0FPM2.5传感器、MQ-135空气质量传感器、DHT11温湿度传感器型号和巴法云平台。3系统硬件设计与实现本系统的核心控制单元是STM32F103C8T6单片机，它基于ARMCortex-M3内核，具有高效的处理能力和丰富的接口资源，非常适合用于嵌入式系统设计。STM32F103C8T6单片机能够高效地处理传感器数据、控制外部设备，并通过无线通信模块将数据传输到云平台。电路原理图如3.1所示。图3.1电路原理图Fig.3.1Circuitschematic3.1主控模块设计此环境监测系统里，STM32F103C8T6单片机被当作主控模块，STM32F103C8T6单片机作主控模块有诸多长处，这使得它在植入式应用当中很流行，其一，它依靠ARMCortex-M3核心，最高频率可达72MHz，能给予很强的处理能力，适宜于繁杂的即时控制。就外部设备接口而言，它支持UART，I2C，SPI等许多种通讯形式，加强了同各类设备相联的能力，它具有低能耗设计，并存在多种节省能源的模式，所以合适于电池供电的应用，进而增长了设备的使用期限。此系统里STM32在电路板上外接了5V的电源，它内部有个稳压模块（LDO）会把5V转成3.3V，STM32当中PA2、PA3这两个接口分别连着ESP8266的RX、TX接口，通过ESP8266WiFi模块把数据传到云平台上去，然后在云平台和OLED屏上显现出来，STM32F103C8T6电路如图3.2所示。图3.2STM32F103C8T6电路Fig.3.2STM32F103C8T6circuits3.2传感器模块设计（1）GY-302光照强度传感器GY-302光照强度传感器属于一种依靠BH1750FVI芯片的数字型光传感器，其具备精准度较高的环境光照测量功能，被全面用在家居智能系统，农业检测，室内外照明调控等诸多领域当中，可以通过I2C接口同STM32单片机相衔接，便于使用者执行即时的光照观测，详细的关联办法就是把GY-302的VCC引脚接到STM32的3.3V或者5V电源上，GND引脚接到地线上，SCL引脚接到STM32的I2CSCL引脚上（比如PB6），SDA引脚接到I2CSDA引脚上（比如PB7）。这种设置可让传感器借助I2C协议同微控制器实施数据交流，其分辨率达1lx，测量精度最高可达±20%，适宜于精确的光照检测，凭借STM32的I2C通信功能，使用者能便捷地读取光照数据，进而简单地融入各类嵌入系统当中，依靠这个传感器，开发者可达成诸如自动调节照明，环境监测，农业灌溉控制之类的诸多革新应用，GY-302光照强度传感器电路如图3.3所示。图3.3GY-302电路Fig.3.3GY-302circuit（2）SY-01噪声传感器SY-01噪声传感器同STM32单片机相衔接十分简便，一般采用模拟输出或者数字输出形式来同微控制器实施通讯，在开展连接的时候，把SY-01的VCC引脚接到STM32的3.3V或者5V电源上，而GND引脚则接到STM32的GND端，如果选取了模拟输出模式，就把AO（模拟输出）引脚连到STM32的某个ADC引脚上，比如PA5，这样就能读取声音强度数值；要是选定了数字输出模式，便将DO（数字输出）引脚接到STM32的某一GPIO引脚上，用以得到噪声超出指定阈值时的信号。SY-01噪声传感器工作电压为3.3V或者5V，其检测范围大多处于30dB到120dB之间，该传感器输出形式包含模拟信号（AO）和数字信号（DO）这两种类型，这样就能够满足不同使用者的各种需求，在本系统当中所采用的便是模拟信号输出形式，而其频率相应范围一般在50Hz到20kHz这个区间之内，这种特性使其可适用于诸多不同的噪声检测场景之中，当与STM32相衔接之后，便能够让使用者及时观测到周边环境里的噪声状况，并且针对这些信息展开进一步的数据处理及剖析操作，从而达成对噪声加以管理和控制的目的，SY-01噪声传感器如图3.4所示。图3.4SY-01电路Fig.3.4SY-01circuit（3）GP2Y1014AU0FPM2.5传感器GP2Y1014AU0F空气质量传感器与STM32单片机的连接较为简单，先把传感器的VCC引脚接到STM32的5V电源上，保证传感器能正常工作，GND引脚则连到STM32的GND端。该传感器的输出信号是模拟电压信号，一般会接到STM32的某个ADC引脚上（这里用PA7），VO引脚是输出引脚，用来输出传感器所测气体浓度或者颗粒物浓度对应的模拟电压信号，而要读取颗粒物浓度数据的时候就用到这个引脚，而且，GP2Y1014AU0F的LED引脚还要接上一个GPIO引脚（比如PB5）作为启动信号，这样在需要测量的时候就能触发传感器。GP2Y1014AU0F的工作电压处于4.5V到5.5V之间，适宜于直接同STM32的5V电源相衔接，它的检测范围一般在0到1000μg/m³之间，有着较好的灵敏度和线性特征，可以及时对空气中的颗粒物浓度实施测量，该传感器所产生的输出信号为与颗粒物浓度成正比例关系的模拟电压信号，其标准响应时间大概为0.5秒左右，适合各种不同的室内外空气质量监测场合，通过与STM32相连，使用者能够很方便地得到空气质量方面的数据，并针对这些数据展开更进一步的处理与剖析，GP2Y1014AU0FPM2.5传感器电路如图所示。图3.5GP2Y1014AU0F电路Fig.3.5GP2Y1014AU0Fcircuits（4）MQ135空气质量传感器MQ135传感器与STM32单片机相衔接的时候并不繁杂，先把MQ135的VCC引脚接到STM32的5V电源上，GND引脚接到STM32的GND处，其模拟输出引脚A0要连到STM32的某个ADC引脚上（像PA6之类的），如此才能读取气体浓度的数据，在实际应用当中，也许还要把DO引脚设成控制引脚，这样就能在必要测量的时候启动传感器。MQ135传感器的工作电压处于5V这个范围之内，可以针对诸如苯，氨，二氧化碳之类的许多种气体实施检测，在此系统当中，它主要用来测量二氧化碳的浓度，其灵敏度大概处在10ppm到1000ppm之间，这要视不同的气体种类而定，在正常工作的时候，MQ135的响应时间一般为10到30秒，而稳定下来则需3到5分钟，比较适宜于开展即时的空气质量监测，通过与STM32单片机相衔接，使用者就能够执行数据处理，进而了解空气中有害气体的浓度情况，这样就能做到环境监测及控制方面的应用。图3.6MQ135电路Fig.3.6MQ135circuit（5）DHT11温湿度传感器DHT11温湿度传感器同STM32单片机的结合较为直观且简便，第一步要把DHT11的VCC引角接到STM32的5V电源上，其GND引脚则连到STM32的GND端。DHT11的数据引脚（DATA）一般会接到STM32的某个GPIO引脚上（这里用PB9），如此一来就能方便地从DHT11那里获取温湿度数据，编程的时候需将这个引脚设置成输入模式，还要利用对应的函数库去应对数据通讯事宜。DHT11的工作电压介于3.3V到5.5V之间，正好符合STM32的5V电源需求，其温度测量范围处于0-50摄氏度之间，湿度测量范围则在20-80%RH之间，温度精度为正负2摄氏度，湿度精度为正负5%RH，它的采样间隔是1秒，也就表明每秒钟可采集一次温湿度数据，通过同STM32相连接，使用者就能随时掌握所处环境的温湿度状况，从而做到空气质量检测以及智能调控。DHT11温湿度传感器电路如图3.7所示。图3.7DHT11电路Fig.3.7DHT11circuit（6）风速传感器三杯式气象仪往往具备模拟或者数字输出，可以直接对接STM32单片机，如果是模拟输出的传感器，先把它的输出引脚接到STM32的一个ADC引脚上（这里用PA4），从而读取风速数据，再把传感器的电源引脚接到STM32的5V电源上，GND引脚接到GND。三杯式气象仪的测量范围往往处于0到100米/秒之间，这要依循传感器型号而定，它的工作电压为5V，可以在各类环境状况之下正常运行，就模组而言，其输出信号也许是同旋转速度形成比例关系的模拟电压，也有可能是专门的数字信号，从而便于STM32展开数据处理并算出风速大小，凭借这样的联系，人们就能随时知晓风速情况，以满足气象预报，野外考察之类的需求，风速传感器电路如图3.8所示。图3.8风速传感器电路Fig.3.8Windspeedsensorcircuitry3.3通信模块设计通信模块利用ESP8266-01SWiFi模块来执行数据传递，ESP8266-01SWiFi模块同STM32单片机相衔接较为简易，不过要留意电源运作及引脚设置情况，其一，把ESP8266-01S的VCC引脚接到STM32的3.3V电源上，GND引脚连到GND，鉴于这个模块的工作电压是3.3V，所以务必要保证电源电压合适，ESP8266-01S可通过串行通信方式向STM32传递数据，把模块的TX引脚接到STM32的RX引脚上（PA3），再把模块的RX引脚接到STM32的TX引脚上（PA2），在程序里，需对STM32的相关引脚加以设置，使其成为UART模式，从而达成串口通信目的。ESP8266-01S的最大传送速率通常为115200bps，其支持的操作频率为2.4GHz，符合802.11b/g/n协议，具备16Mb闪存和复位引脚（RST），可执行软件重启，ESP8266-01S的工作温度处于-40°C到+125°C之间，可以在各类环境条件下使用，通过与STM32相连，使用者可达成无线数据传递，即时观察并远程控制，这给物联网应用的创建带来很大便利，ESP8266-01SWiFi模块电路如图3.9所示。图3.9ESP8266-01S电路Fig.3.9ESP8266-01Scircuit3.4显示模块设计显示模块仅仅依靠一块OLED显示屏来表现系统所检测到的环境即时数据，OLED显示屏（OrganicLight-EmittingDiodeDisplay）可通过I2C接口同STM32单片机相衔接，把OLED显示屏的VCC引脚接到STM32的3.3V电源上，再将GND引脚连到GND，数据引脚SDA（SerialDataLine，即数据线）接到STM32的某个I2C数据引脚上（PB11），SCL（SerialClockLine，即时钟线）接到STM32的某个I2C时钟引脚上（PB10），在程序里要对I2C接口执行初始化，并设置显示屏的有关参数，从而做到数据传送以及显示内容的更新。OLE显示屏一般具备从128x64像素到256x128像素不等的分辨率，这依循其型号而定，常规显示屏的工作电压处于3.3V-5V这个范围内，它的耗电量比较小，适宜用在低能耗的场合当中，OLED显示屏电路如图3.10所示。图3.10OLED电路Fig.3.11OLEDcircuits3.5本章小结本章节主要描绘了系统中需要用到的硬件的电路原理以及各个硬件工作的工作模式和各项数据，并且包含各个传感器模块、WIFI模块与STM32主模块的电路引脚链接。

4系统软件设计与实现系统的软件设计部分是实现整个工地环境监测系统的核心，涉及到单片机的初始化、传感器数据采集与处理、数据传输与显示，以及云平台的设计与实现等多个方面。本文系统采用了KeiluVision5开发环境，通过C语言进行编程，充分利用STM32F103C8T6单片机的处理能力与接口资源，实现了系统的高效、稳定运行。以下是各个模块的详细设计与实现过程。4.1系统软件设计软件设计是整个系统的核心部分，负责数据采集、处理、控制和通信等功能。如下图4.1所示，系统的大致流程为：图4.1系统流程图Pig.4.1Systemflowchart在本系统当中，STM32F103C8T6单片机借助定时中断以及事件激发的手段来定期获取传感器的数据，并且依照预先指定好的阈值去控制相关设备，其软件流程大致包含初始化，数据采集，数据传送以及控制逻辑这些步骤，下面便是详细的步骤流程：：初始化阶段，系统启动的时候，要先对单片机的每个外设执行初始化操作，其中涉及STM32的GPIO口，ADC，UART，SPI这些硬件模块，保证它们可以同传感器模块，无线通信模块，LED显示模块达成正常关联。尝试创建无线网络链接，如果链接上了，就去采集传感器信息并实施数据传送；要是链接失败，那就再次尝试链接，完成数据传送之后，所检测到的各种环境数据便会显现于LED显示屏之上，而且在数据显示于LED之际，这些数据也会上传到云平台，从而让我们能够查阅相关信息，数据采集，传送以及云平台显示如此这般周而复始地开展下去，这样就能获取即时数据。其中的数据采集部分，单片机依靠定时器中断或者外部触发手段，定时去各个传感器那里拿数据，针对不一样的传感器，其数据采集方法也有区别，就拿数字信号采集来说（像DHT11温湿度传感器），通过GPIO口来读入数据，为保证读到的数据准确无误，还特意设计了超时判定机制以防止出现读取故障，至于模拟信号采集（譬如风速传感器，气体传感器之类），STM32内部自带的ADC模块会执行采样工作，这里面采样的分辨率以及速度都会遵照具体需求来设定，采集时间间隔常常被指定成每隔1-5秒采一次，从而既可以保障数据的即时性又不会让系统压力太大。数据传送这个环节当中，单片机把收集到的环境数据通过无线通信模块（Wi-Fi）发送到云平台上，就Wi-Fi传送而言，ESP8266模块利用UART同STM32展开数据通讯，把传感器的数据传给云平台，为了确保数据传送的可靠程度，系统采取数据包形式，其涵盖包头，数据以及校检码，如果出现丢包或者出错情况，系统便会自行重新传送数据包。4.2传感器数据采集与处理图4.2数据采集与处理流程图Fig.4.2Dataacquisitionandprocessingflowchart系统工作流程的第一步是数据采集，要做到这一点就得依靠各类传感器（诸如温湿度传感器，光照强度传感器，PM2.5传感器之类），而且往往还需对传感器所采集到的数据做进一步的处理与分析，这样才能保证其准确性与可靠性，数据采集与处理流程图如图4.2所示。接通电源之后系统就开始运作起来，STM32发出指令以后，各个传感器就会执行初始化运作，而且开始读取周围环境里的各种数据，通过传感器同主控模块的各个引脚相互关联，这样就能很好地掌控数据的传送以及指令的接受情况，拿空气质量传感器（MQ-135）来说，它的AO接口就与主控模块的PA6引脚相连，PM2.5传感器的LED和AO则分别接到主控模块的PB5和PA7引脚上，当这些数据被传送到主控模块之后，就会展开进一步的数据处理并实施输出。4.3数据传输与显示图4.3数据传输与显示流程图Fig.4.3Datatransferanddisplayflowchart环境监测系统里，数据采集与处理之后就是数据的传送与显示，显示程序运行的时候，主控模块STM32会控制LED显示屏来显示数据，把传感器检测到的数据显示在相应的地方。WIFI传送模块开始工作的时候，ESP8266WIFI模块通过串口同主控模块STM32相衔接，承担起网络传送的任务，它会依照从串口接收到的AT指令来传送数据，第一步要先判定WIFI模块有没有和已经设定好的无线网络建立起联系，如果已经取得联系，就开始传送数据，接着这些数据就会被传送到云平台以及AndroidAPP上，数据传输与显示流程图如图4.3所示。4.4云平台搭建巴法云平台（BafaCloudPlatform）属于专业的物联网云服务平台范畴，目的在于给开发者以及企业赋予高效又便捷地数据经营和应用开发服务，此平台可容纳各类设备接入，并供应即时数据观测，存储，剖析以及可视化方面的功能，凭借强劲的API接口和SDK工具，使用者能够立即达成设备守护，数据传递以及业务逻辑的定制化开发，而且，巴法云平台有着灵活的拓展能力和安全性能，合适于智慧城市，工业自动化，环境检测等诸多领域，从而帮助客户创建起高效，智能的物联网解决办法，云平台链接图如图4.4所示。图4.4云平台链接Fig4.4Cloudplatformlink首先进行WIFI模块初始化，连接MOTT参数并判断WIFI连接时候成功，失败则返回重新进行模块初始化和MOTT参数连接，成功即可进行数据传输至云平台并显示数据。云平台创建如图4.5所示。图4.5云平台创建Fig.4.5Creatingacloudplatform巴法云平台的创建比较方便快捷，简单注册完成之后便可连接设备，在Keil5软件中进行三元组代码的编写连接设备。云平台与STM32连接之后，各个传感器采集的信息便可传输至云平台并且云平台将各项数据以JSON格式显示出来并可查看历史数据。云平台历史数据显示如图4.6所示。图4.6云平台数据显示Fig.4.6Cloudplatformdatadisplay4.5Android应用程序Android应用程序具有深远的意义。在技术层面，它们通过调用硬件功能和软件接口，极大地扩展了移动设备的实用性，同时推动了人工智能和物联网等领域的创新。在社会层面，Android应用改变了人们的生活方式，重塑了社交、教育和健康管理，并提升了公共服务效率。在基于物联网的工地工程环境监测系统设计中，为方便用户远程查看传感器检测到的数据，选择设计Android应用程序。该软件具有触控界面友好、跨平台兼容性、数据实时可视化、开放性和灵活性等优势。本设计Android应用程序设计的主要目的是读取各个传感器读取的实时数据。本设计中创建Android应用程序的主要步骤：(1)创建项目。本设计创建一个了基于Java语言的Android项目，该项目的作用是显示巴法云转发的传感器测得的数据，为用户提供直观的数据内容。(2)创建基本信息界面。使用uni-list-cell类创建列表项布局，显示静态的监测环境基本信息。(3)数据获取。使用uni.request发起HTTPGET请求，从巴法云API获取Info主题的MQTT消息，成功后将返回的JSON字符串解析并更新Info对象。(4)数据读取。建立MQTT客户端连接，连接成功后订阅Info和GPS主题，设置消息回调处理实时数据更新。(5)程序移植。将编写好的程序下载到手机端进行调试。调试好的界面如图4.7所示：图4.7Android界面Fig.4.7Androidinterface4.6本章小结本章详细介绍了系统软件设计与实现的各个模块，从单片机的初始化、数据采集与传输，到传感器数据的处理、数据可视化及云平台的设计，都做了深入的分析与实现。系统的设计采用了C语言进行编程，通过KeiluVision5开发环境实现了STM32单片机的功能。5系统功能测试与成果展示在基于物联网的工地工程环境监测系统的设计与实现研发过程中，系统功能测试是确保系统稳定性和可靠性的关键环节。在完成硬件集成和软件编程后，需对系统进行全面测试，以验证其在实际应用中的性能。功能测试主要包括模块功能测试和系统整体功能测试，旨在发现潜在缺陷，确保系统满足设计要求和实际需求。5.1系统软件开发环境Keil是由美国KeilSoftwareInc和德国KeilElektronikGmbH联合推出的一款针对嵌入式系统软件开发的集成化环境（IDE），重点关注微控制器（MCU）和微处理器（MPU）的软件开发情况，在单片机领域特别是那些依靠8051、Cortex-M、Cortex-R及一部分别的架构展开工作的项目当中，Keil有着很高的知名度。本系统所采用的开发软件为KeiluVision5（简称Keil5），其属于专业的嵌入式系统开发工具范畴，专门面向依托ARM内核的微控制器及各类嵌入式设备而设，该软件具备如下几大关键特性：（1）一体化开发环境：涵盖代码编辑，编译，调试及仿真等环节，给予完备的开发流程，利于开发者执行代码编写，检测与调试。（2）支持各类微控制器架构：适配ARM，Cortex-M，8051等多种架构，符合不同项目的开发需求，契合多种化的技术背景。（3）强大的代码编辑器：具备语法高亮显示，自动补全，代码折叠等功能，可以优化编程效率，使得开发工作更为便捷。（4）高效的编译器：整合ARM公司的MDK编译器，把高级语言代码转变成目标机器码，保障代码的性能稳定。（5）强大的调试功能：支持ULINK，ST-LINK，J-LINK等硬件调试工具，具备单步调试，断点管理，寄存器查看，变量监测等多种调试手段，可以助力开发者立即找到问题所在之处。（6）多样的仿真支持：支持诸多仿真器，这让开发者即便没有实际硬件也能够执行模拟调试，从而缩减开发时耗。总的来说，Keil5在嵌入式开发方面使用非常普遍，凭借高效稳定的工具链以及出色的调试功能极大地提高了开发效率，在通信，物联网，电子设备等诸多行业发挥着重要作用。5.2模块功能测试现对传感器模块功能测试，将GY-302光照强度传感器、SY-01噪声传感器、GP2Y1014AU0FPM2.5传感器、MQ135空气质量传感器、DHT11温湿度传感器与主控制器模STM32F103C8T6单片机相连接，通过简单的环境变化来观察传感器信息的变化。变化前数据如图5.1所示。图5.1变化前数据Fig.5.1Databeforethechange在经过简单模拟的变化环境后，发现光照强度，温湿度、PM2.5浓度述职发生了变化。变化后数据如图5.2所示。图5.2变化后数据Fig.5.2Dataafterthechange5.3成果展示图5.3实物连接图Fig.5.3Physicalconnectiondiagram首先，进行系统调试前的准备工作。明确系统设计框架，包括主控模块、传感器模块、WIFI模块、显示模块、云平台以及APP，并确保开发环境配置完备。硬件连接与检查是测试的基础环节。根据电路原理图焊接各模块，重点检查STM32与ESP8266、各个传感器的接口连接及控制线路。实物连接图如图5.3所示。OLED显示模块数据如图5.4所示。图5.4OLED数据图Fig.5.4OLEDDatagraph数据同时上传至在云平台，在巴法云平台查看数据，云平台显示json格式数据，如图5.5所示。图5.5云平台数据显示Fig.5.5Cloudplatformdatadisplay手机app端查看开始前需要进行配网，配网教程如下：在电路板找到重置WiFi按下按键1，进行重置WiFi操作；然后在手机上下载Esptouch打开后选择EspTouch，然后使用手机连接需要给设备配置的WiFi（必须为2.4G），在EspTouch输入当前连接的WiFi的密码点击确认，同时在设备上找到连接WiFi按下按键1，等待EspTouch弹出连接成功的消息，连接成功后设备会自动保存WiFi信息，下次上电时自动连接。需要清除WiFi信息时使用重置WiFi即可。手机APP数据显示如图5.6所示。图5.6数据显示Fig.5.6Datashows整体系统演示时可以看出，OLED、云平台、手机APP三者数据显示相同。5.4本章小结本章节主要展示了基于物联网的工地工程环境检测系统的功能测试以及成果展示，并且确保了数据传输的准确性。结论本系统融合了物联网技术，传感器技术，嵌入控制技术以及云平台技术，着眼于传统工地环境监测依靠人力，效率低，即时性差等状况，给出并规划出一种依托物联网的工地工程环境监测系统。第一，本设计证实了物联网技术用于工地环境监测具备可行性，通过整合各类传感器（诸如温湿度传感器，噪声传感器，PM2.5传感器等）和STM32F103C8T6主控模块，可以随时对工地环境数据执行收集与处理，系统凭借ESP8266WiFi模块把数据传送至巴法云平台，使用者能够借助手机APP或者云平台马上查阅环境数据，而且按照阈值警报立即实施应对举措，经过检测可知，系统运作稳定，数据收集精确，大幅优化了监测效率，削减了人工介入的必要性。第二，系统的云平台和移动端设计给数据可视化及远程观测带来方便，其允许众多设备接入并展开数据分析，从而提升了系统的实用性与拓展性，而且，此系统对于环境保护和工人健康保障有着重大价值，通过随时监测环境参数，可以有效地防止环境污染和健康风险，给工地经营赋予了科学依循。不过，该设计依旧有一些提升之处，比如系统的网络覆盖范畴以及数据传送稳固性还需再加以改善，云平台的数据安全保障手段能够得到巩固，从而守护用户隐私，而且，系统的成本把控和推广扩大同样是日后要留意的地方。综上来看，依托物联网的工地工程环境监测系统对于优化监测效率，保证施工安全，推动环保经营等有着重要意义，此设计给工地环境监测的智能化给予了操作参照，也为物联网技术在建筑领域的应用供应了新的研究方向。参考文献[1]李爽.基于电子鼻技术的养殖场环境检测系统的设计与实现[D].武汉轻工大学,2021.DOI:10.27776/ki.gwhgy.2021.000184.[2]田均成.基于云平台的智能农业环境检测系统的研究[D].吉林大学,2017.[3]WanC,ChenC,ZhongW.IndoorBreedingEnvironmentMonitoringSystem[J].FrontiersinComputingandIntelligentSystems,2024,8(2):34-37.[4]先杰.基于STM32的土壤水分监测系统设计与实现[D].贵州大学,2023.DOI:10.27047/ki.ggudu.2023.002103.[5]才明鑫.用于大田作物信息采集的球形无人机研究与设计[D].江汉大学,2023.DOI:10.27800/ki.gjhdx.2023.000446.[6]庹婷婷.用于高空气象信息采集的通信控制器的设计与实现[D].北京邮电大学,2023.DOI:10.26969/ki.gbydu.2023.002341.[7]迟庆杰.基于云平台的智能门锁系统设计与实现[D].西安电子科技大学,2021.DOI:10.27389/ki.gxadu.2021.002862.[8]罗成志.基于物联网的汽车空调智能控制系统的设计与实现[D].云南民族大学,2020.DOI:10.27457/ki.gymzc.2020.000064.[9]俞俊铭.基于云平台的机器人监控系统设计[D].浙江工业大学,2020.DOI:10.27463/ki.gzgyu.2020.000124.[10]祝起明.基于云平台的水土保持数据监测系统研究与实现[D].长安大学,2019.[11]汤振.基于物联网的家庭室内环境监测系统的研究与实现[D].南京邮电大学,2018.[12]刘龙.建设工地环境监测数据传输系统的设计与实现[D].西安科技大学,2017.附录#include"app_WindSpeed.h"#include"app_Sound.h"#include"app_GP2Y10.h"ESP8266_HandleTypeDefg_tESP8266Handle={0};DHT11_HandleTypeDefg_tDHT11Handle={0};GY302_HandleTypeDefg_tGY302Handle={0};WindSpeed_HandleTypeDefg_tWindSpeedHandle={0};Sound_HandleTypeDefg_tSoundHandle={0};GP2Y10_HandleTypeDefg_tGP2Y10Handle={0};MQ135_HandleTypeDefg_tMQ135Handle={0};Timer_HandleTypeDefs_tKeyTimerHandle={0};Timer_HandleTypeDefs_tDHT11TimerHandle={0};Timer_HandleTypeDefs_tGY302TimerHandle={0};Timer_HandleTypeDefs_tADCTimerHandle={0};Timer_HandleTypeDefs_tMQ135TimerHandle={0};Timer_HandleTypeDefs_tGP2Y10TimerHandle={0};Timer_HandleTypeDefs_tWindSpeedTimerHandle={0};Timer_HandleTypeDefs_tSoundTimerHandle={0};voidSystemClock_Config(void);staticvoidMX_NVIC_Init(void);intmain(void){HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_DMA_Init();MX_ADC1_Init();MX_I2C1_Init();MX_I2C2_Init();MX_USART1_UART_Init();MX_USART2_UART_Init();MX_ADC2_Init();MX_NVIC_Init();app_KeyInit();bsp_DHT11Init(&g_tDHT11Handle,DHT11_GPIO_Port,DHT11_Pin);bsp_GY302Init(&g_tGY302Handle,0x46,&hi2c1);app_WindSpeedInit(&g_tWindSpeedHandle,&hadc1,ADC_CHANNEL_4);app_SoundInit(&g_tSoundHandle,&hadc1,ADC_CHANNEL_5);bsp_MQ135Init(&g_tMQ135Handle,&hadc1,ADC_CHANNEL_6);app_GP2Y10Init(&g_tGP2Y10Handle,&hadc2,ADC_CHANNEL_7,GP_LED_Pin,GP_LED_GPIO_Port);app