CN111504868A - 一种基于大数据的建筑施工扬尘监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，包括视频采集终端、粉尘物浓度监测模块、控制器、通信模块和远程监控平台，粉尘物浓度监测模块包括粉尘浓度检测电路、温漂抑制电路和运放滤波调节电路，粉尘浓度检测电路包括用于检测建筑施工场地扬尘浓度的粉尘浓度传感器，其检测信号首先经运放器AR1初级增强，然后利用RC滤波对放大后的信号行降噪，降低外界高频扰动对检测信号的干扰，设计温漂抑制电路和运放滤波调节电路来对粉尘浓度检测电路的输出信号进行模拟电路调节，有效避免外界温度使检测信号出现失调，避免外界光源产生的杂波频率干扰检测结果的准确度，极大地提高系统对检测信号的识别能力和灵敏度。

Description

一种基于大数据的建筑施工扬尘监测系统

技术领域

本发明涉及扬尘监测技术领域，特别是涉及一种基于大数据的建筑施工扬尘监测系统。

背景技术

我国正处于城市基建快速发展期，而建筑施工场地产生的扬尘是造成大气污染的主要来源之一，由于监管部门人员数量有限，不可能每天都到各个施工地点去巡查，因此，对众多分散的工程施工现场进行远程在线监控，及时发现违反防尘要求、出现扬尘污染的施工地点并及时处理，无疑是监管工程施工扬尘污染的有效途径。现有的建筑施工扬尘监测系统主要由视频采集终端、粉尘物浓度监测模块、控制器、通信模块和远程监控平台组成，其中粉尘物浓度监测模块主要采用光散射原理检测建筑施工场地空气中的粉尘浓度，在对建筑施工场地的扬尘浓度检测过程中，其检测信号受温度、风速风向等环境因素的影响很大，容易引起检测信号出现失调，且外界光源产生的杂波频率也会对粉尘浓度传感器的信号处理带来干扰，造成检测结果出现偏差，影响系统监控的准确性。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种基于大数据的建筑施工扬尘监测系统。

其解决的技术方案是：一种基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，包括视频采集终端、颗粒物浓度监测模块、控制器、通信模块和远程监控平台，所述颗粒物浓度监测模块包括粉尘浓度检测电路、温漂抑制电路和运放滤波调节电路，所述粉尘浓度检测电路包括用于检测建筑施工场地扬尘浓度的粉尘浓度传感器，所述粉尘浓度传感器的检测信号经运放器AR1初步放大后送入RC滤波；所述温漂抑制电路采用运放器AR2对RC滤波后的信号进行处理，运放器AR2反馈端运用阻容反馈网络来消除外界温度对粉尘浓度检测干扰，运放器AR2的输出信号送入所述运放滤波调节电路中进行处理；所述运放滤波调节电路包括高通滤波单元和低通滤波单元，所述高通滤波单元包括带通滤波器，所述带通滤波器由三阶RC滤波网络和运放器AR3组成，所述带通滤波器的输入端连接所述运放器AR2的输出端；所述低通滤波单元包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极通过电阻R12连接运放器AR2的输出端，MOS管Q1的源极通过电阻R13连接电容C8、电感L1的一端，电感L1的另一端连接电容C9的一端，并通过二极管VD1连接运放器AR3的输出端和稳压二极管DZ1的阴极，稳压二极管DZ1的阳极连接电阻R19、电容C10的一端和三极管VT1的基极，电阻R19、电容C10的另一端与三极管VT1的发射极并联接地，三极管VT1的集电极连接电容C8、C9的另一端。

优选的，所述粉尘浓度传感器选用型号为MIC-1000，MIC-1000型粉尘浓度传感器的信号输出端连接运放器AR1的同相输入端，并通过电阻R2接地，运放器AR1的反相输入端连接电阻R3、R4的一端，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接运放器AR1的输出端，运放器AR1的输出端连接所述温漂抑制电路的输入端。

优选的，所述运放器AR2的反相输入端连接电阻R7、电容C2的一端，并通过电阻R6连接运放器AR1的输出端，电阻R7的另一端连接电阻R8、热敏电阻RT1的一端，电容C2、电阻R8、热敏电阻RT1的另一端连接运放器AR2的输出端，运放器AR2的同相输入端连接电阻R9、R10、电容C7的一端和MOS管Q1的漏极，电阻R9的另一端连接+5V电源，电阻R10、电容C7的另一端接地。

优选的，所述运放调节电路还包括电阻R11和电容C3，电阻R11的一端连接运放器AR2的输出端，电阻R11的另一端连接所述三阶RC滤波网络，并通过电容C3接地，所述三阶RC滤波网络包括电阻R14-R16和电容C4-C6，电阻R14、电容C4的一端连接电阻R11的另一端，电阻R14的另一端通过电容C6接地，并通过电阻R15连接运放器AR3的同相输入端，电容C4的另一端通过电阻R16接地，并通过电容C5连接运放器AR3的同相输入端，运放器AR3的反相输入端通过电阻R17接地，并通过电阻R18连接运放器AR3的输出端。

优选的，所述运放器AR3的输出端与所述控制器之间还设置有隔离适配电路，所述隔离适配电路包括运放器AR4，运放器AR4的同相输入端连接运放器AR3的输出端，运放器AR4的反相输入端、输出端通过电阻R20连接电容C11、电阻R21的一端和所述控制器的粉尘浓度信号检测端，电阻R21的另一端连接变阻器RP1的一端，变阻器RP1的另一端、滑动端与电容C11的另一端并联接地。

优选的，所述控制器选用MSP430系列片机，所述单片机通过数据串口连接所述通信模块。

优选的，所述通信模块选用GPRS通信单元，所述GPRS通信单元与所述远程监控平台建立远程通讯。

通过以上技术方案，本发明的有益效果为：

1.本发明通过粉尘浓度传感器实时检测建筑施工场地目标区域的粉尘浓度，其检测信号首先经运放器AR1初级增强，然后利用RC滤波对放大后的信号行降噪，降低外界高频扰动对检测信号的干扰；

2.设计温漂抑制电路和运放滤波调节电路来对粉尘浓度检测电路的输出信号进行模拟电路调节，温漂抑制电路中运放器AR2反馈端运用阻容反馈网络来消除外界温度对粉尘浓度检测干扰，有效避免外界温度使检测信号出现失调；

3.运放滤波调节电路采用低通滤波单元与高通滤波单元并联的形式很好地将检测信号频带之外的高频杂波信号进行滤除，同时消除检测信号在处理过程中电路内部产生的自激扰动和尖峰浪涌，避免外界光源产生的杂波频率干扰检测结果的准确度，极大地提高系统对检测信号的识别能力和灵敏度。

附图说明

图1为本发明粉尘浓度检测电路原理图。

图2为本发明温漂抑制电路和运放滤波调节电路原理图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图2对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

一种基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，包括视频采集终端、粉尘物浓度监测模块、控制器、通信模块和远程监控平台。具体设置时，视频采集终端采用数字网络化组网方式，通过前端摄像机连接工业路由器变为数字信号，然后通过无线通讯网络将图像传输至远程监控平台。控制器选用MSP430系列单片机，具有非常丰富的片内资源和强大的处理能力，单片机通过数据串口连接通信模块，通信模块选用GPRS通信单元，GPRS通信单元与远程监控平台建立远程通讯。

粉尘物浓度监测模块包括粉尘浓度检测电路、温漂抑制电路和运放滤波调节电路，粉尘浓度检测电路包括用于检测建筑施工场地扬尘浓度的粉尘浓度传感器U1，粉尘浓度传感器U1的检测信号经运放器AR1初步放大后送入RC滤波。如图1所示，本实施例中粉尘浓度传感器U1选用型号为MIC-1000，MIC-1000型粉尘浓度传感器的信号输出端连接运放器AR1的同相输入端，并通过电阻R2接地，运放器AR1的反相输入端连接电阻R3、R4的一端，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接运放器AR1的输出端，运放器AR1的输出端连接温漂抑制电路的输入端，并通过并联的电阻R5、电容C1接地。由于粉尘浓度传感器U1的工作原理是利用光电转换器件将光信号转换成电信号，即MIC-1000内部激光源发出光波通过被测粉尘后的光信号转换成具有特定频率的电信号。该电信号首先送入运放器AR1中进行放大，运放器AR1利用同相比例放大首先将检测信号进行初级增强，然后由电阻R5于电容C1形成的RC滤波对运放器AR1的输出信号进行降噪，降低外界高频扰动对检测信号的干扰。

为提高检测信号的抗干扰能力及系统的准确度，采用温漂抑制电路和运放滤波调节电路来对粉尘浓度检测电路的输出信号进行模拟电路调节。如图2所示，温漂抑制电路采用运放器AR2对RC滤波后的信号进行处理，运放器AR2反馈端运用阻容反馈网络来消除外界温度对粉尘浓度检测干扰，运放器AR2的输出信号送入运放滤波调节电路中进行处理。温漂抑制电路的具体结构为：运放器AR2的反相输入端连接电阻R7、电容C2的一端，并通过电阻R6连接运放器AR1的输出端，电阻R7的另一端连接电阻R8、热敏电阻RT1的一端，电容C2、电阻R8、热敏电阻RT1的另一端连接运放器AR2的输出端，运放器AR2的同相输入端连接电阻R9、R10、电容C7的一端和MOS管Q1的漏极，电阻R9的另一端连接+5V电源，电阻R10、电容C7的另一端接地。由于粉尘浓度传感器U1的输出信号在放大过程中会因半导体元件参数随外界温度变化而产生的变化，从而产生输出电压漂移失调，因此在运放器AR2反馈端运用电阻R7、R8、热敏电阻RT1和电容C2形成的阻容反馈网络来进行补偿。运放过程中温度变化产生的漂移电压会降落在耦合电容C2上进行信号补偿，从而避免传输到后级电路中进一步放大，热敏电阻RT1会随着温度的增高从而降低运放器AR2的反馈端阻值大小，继而降低运放器AR2的放大增益，使负反馈增强，从而起到稳幅作用，从而很好地将漂移抑制在较低的限度之内，有效避免外界温度使检测信号出现失调。

为了避免外界光源产生的杂波频率干扰检测结果的准确度，将运放器AR2的输出信号送入运放滤波调节电路中进行杂波消除处理。运放滤波调节电路包括高通滤波单元和低通滤波单元，高通滤波单元包括带通滤波器，带通滤波器由三阶RC滤波网络和运放器AR3组成，带通滤波器的输入端连接运放器AR2的输出端。运放调节电路的具体结构还包括电阻R11和电容C3，电阻R11的一端连接运放器AR2的输出端，电阻R11的另一端连接三阶RC滤波网络，并通过电容C3接地，三阶RC滤波网络包括电阻R14-R16和电容C4-C6，电阻R14、电容C4的一端连接电阻R11的另一端，电阻R14的另一端通过电容C6接地，并通过电阻R15连接运放器AR3的同相输入端，电容C4的另一端通过电阻R16接地，并通过电容C5连接运放器AR3的同相输入端，运放器AR3的反相输入端通过电阻R17接地，并通过电阻R18连接运放器AR3的输出端。其中，电阻R11与电容C3对运放器AR2的输出信号进行低通处理后，运用带通滤波器滤波原理可以很好地将检测信号频带之外的高频杂波信号进行滤除，从而提高系统对检测信号的识别能力和灵敏度。

同时，采用低通滤波单元作为高通滤波单元的并联端对运放器AR2的输出信号同步滤波。低通滤波单元的具体结构为：MOS管Q1的栅极通过电阻R12连接运放器AR2的输出端，MOS管Q1的源极通过电阻R13连接电容C8、电感L1的一端，电感L1的另一端连接电容C9的一端，并通过二极管VD1连接运放器AR3的输出端和稳压二极管DZ1的阴极，稳压二极管DZ1的阳极连接电阻R19、电容C10的一端和三极管VT1的基极，电阻R19、电容C10的另一端与三极管VT1的发射极并联接地，三极管VT1的集电极连接电容C8、C9的另一端。其中，运放器AR2的输出信号经电阻R12分流后送入MOS管Q1中进行放大，电容C7起到对MOS管Q1的输出信号起到稳定作用，MOS管Q1的输出信号送入由电容C8、C9和电感L1形成的LC滤波电路中进行低通精确滤波，运用LC滤波原理可有效消除检测信号在处理过程中电路内部产生的自激扰动和尖峰浪涌。在低通滤波的过程中，运放器AR3的输出信号经稳压二极管DZ1稳压后，送入由电阻R19、电容C10和三极管VT1形成的自动稳幅电路中，由于三极管VT1的基极导通电压恒定是三极管VT1始终处于一个稳定工作状态，因此可以对LC滤波电路的工作过程起到很好的稳定作用，降低LC谐振对信号输出造成波动，使检测信号处理具有很好的稳态特性。

运放器AR3的输出端与控制器之间还设置有隔离适配电路，隔离适配电路包括运放器AR4，运放器AR4的同相输入端连接运放器AR3的输出端，运放器AR4的反相输入端、输出端通过电阻R20连接电容C11、电阻R21的一端和控制器的粉尘浓度信号检测端P1，电阻R21的另一端连接变阻器RP1的一端，变阻器RP1的另一端、滑动端与电容C11的另一端并联接地。其中，运放器AR4运用电压跟随器原理对运放滤波调节电路的输出信号进行处理，保证控制器接收并处理检测信号的过程与前级信号处理电路形成电气隔离。同时电阻R20与电阻R21、变阻器RP1形成串联电阻对运放器AR4的输出信号进行分压，使用时通过调节RP1的阻值可改变输入到控制器粉尘浓度信号检测端P1的信号幅值范围，从而使检测信号输出范围适配控制器信号接收范围，使用调节方便，保证控制器工作安全稳定。

本发明在具体使用时，通过粉尘浓度传感器U1实时检测建筑施工场地目标区域的粉尘浓度，其检测信号首先经运放器AR1初级增强，然后利用RC滤波对放大后的信号行降噪，降低外界高频扰动对检测信号的干扰。采用温漂抑制电路和运放滤波调节电路来对粉尘浓度检测电路的输出信号进行模拟电路调节，温漂抑制电路中运放器AR2反馈端运用阻容反馈网络来消除外界温度对粉尘浓度检测干扰，有效避免外界温度使检测信号出现失调。运放滤波调节电路采用低通滤波单元与高通滤波单元并联的形式很好地将检测信号频带之外的高频杂波信号进行滤除，同时消除检测信号在处理过程中电路内部产生的自激扰动和尖峰浪涌，极大地提高系统对检测信号的识别能力和灵敏度。最后经隔离适配电路幅值调节后送入MSP430系列单片机中，MSP430系列单片机在接收到检测信号后会对其进行内部A/D转换成数字量，并计算出实际粉尘浓度数据值，该数据值通过GPRS通信单元传输到远程监控平台。远程监控平台利用成熟的大数据处理技术对各个目标区域的粉尘浓度进行实时监控对比，当目标区域的粉尘浓度超出安全阈值时，远程监控平台进行预警通知对应建筑施工场地进行除尘操作，有效防止扬尘污染。

以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，包括视频采集终端、颗粒物浓度监测模块、控制器、通信模块和远程监控平台，其特征在于：所述颗粒物浓度监测模块包括粉尘浓度检测电路、温漂抑制电路和运放滤波调节电路，所述粉尘浓度检测电路包括用于检测建筑施工场地扬尘浓度的粉尘浓度传感器，所述粉尘浓度传感器的检测信号经运放器AR1初步放大后送入RC滤波；所述温漂抑制电路采用运放器AR2对RC滤波后的信号进行处理，运放器AR2反馈端运用阻容反馈网络来消除外界温度对粉尘浓度检测干扰，运放器AR2的输出信号送入所述运放滤波调节电路中进行处理；

所述运放滤波调节电路包括高通滤波单元和低通滤波单元，所述高通滤波单元包括带通滤波器，所述带通滤波器由三阶RC滤波网络和运放器AR3组成，所述带通滤波器的输入端连接所述运放器AR2的输出端；所述低通滤波单元包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极通过电阻R12连接运放器AR2的输出端，MOS管Q1的源极通过电阻R13连接电容C8、电感L1的一端，电感L1的另一端连接电容C9的一端，并通过二极管VD1连接运放器AR3的输出端和稳压二极管DZ1的阴极，稳压二极管DZ1的阳极连接电阻R19、电容C10的一端和三极管VT1的基极，电阻R19、电容C10的另一端与三极管VT1的发射极并联接地，三极管VT1的集电极连接电容C8、C9的另一端。

2.根据权利要求1所述的基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，其特征在于：所述粉尘浓度传感器选用型号为MIC-1000，MIC-1000型粉尘浓度传感器的信号输出端连接运放器AR1的同相输入端，并通过电阻R2接地，运放器AR1的反相输入端连接电阻R3、R4的一端，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接运放器AR1的输出端，运放器AR1的输出端连接所述温漂抑制电路的输入端。

3.根据权利要求2所述的基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，其特征在于：所述运放器AR2的反相输入端连接电阻R7、电容C2的一端，并通过电阻R6连接运放器AR1的输出端，电阻R7的另一端连接电阻R8、热敏电阻RT1的一端，电容C2、电阻R8、热敏电阻RT1的另一端连接运放器AR2的输出端，运放器AR2的同相输入端连接电阻R9、R10、电容C7的一端和MOS管Q1的漏极，电阻R9的另一端连接+5V电源，电阻R10、电容C7的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，其特征在于：所述运放调节电路还包括电阻R11和电容C3，电阻R11的一端连接运放器AR2的输出端，电阻R11的另一端连接所述三阶RC滤波网络，并通过电容C3接地，所述三阶RC滤波网络包括电阻R14-R16和电容C4-C6，电阻R14、电容C4的一端连接电阻R11的另一端，电阻R14的另一端通过电容C6接地，并通过电阻R15连接运放器AR3的同相输入端，电容C4的另一端通过电阻R16接地，并通过电容C5连接运放器AR3的同相输入端，运放器AR3的反相输入端通过电阻R17接地，并通过电阻R18连接运放器AR3的输出端。

5.根据权利要求4所述的基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，其特征在于：所述运放器AR3的输出端与所述控制器之间还设置有隔离适配电路，所述隔离适配电路包括运放器AR4，运放器AR4的同相输入端连接运放器AR3的输出端，运放器AR4的反相输入端、输出端通过电阻R20连接电容C11、电阻R21的一端和所述控制器的粉尘浓度信号检测端，电阻R21的另一端连接变阻器RP1的一端，变阻器RP1的另一端、滑动端与电容C11的另一端并联接地。

6.根据权利要求1和5所述的基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，其特征在于：所述控制器选用MSP430系列片机，所述单片机通过数据串口连接所述通信模块。

7.根据权利要求6所述的基于大数据的建筑施工扬尘监测系统，其特征在于：所述通信模块选用GPRS通信单元，所述GPRS通信单元与所述远程监控平台建立远程通讯。

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