CN215730187U - 一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，包括分别与两路终端节点连接的协调器，协调器还与计算机连接，终端节点和协调器均安装Zigbee模块，终端节点和协调器之间通过Zigbee模块实现无线通讯，协调器通过串口与计算机终端连接。基于Zigbee模块组网技术，来对建筑工地的环境进行监测、研究，解决了建筑工地施工产生的噪音跟扬尘得不到监管的问题，同时也有效的避免了传统检测设备传输线材过长、传输不方便带来的的问题，从而实现对建筑工地环境更好的监测。

Description

一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统

技术领域

本实用新型涉及智慧环境监测技术领域，具体为一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近些年来，国内多数城市中出现空气质量问题，有的城市甚至出现严重的雾霾天气。雾霾天气不仅危害人们的身心健康而且对环境造成巨大的破坏，而且不便于人们交通出行，以至于交通事件的频繁发生。因此环保问题成为了如今首要解决的问题。面临这一问题，政府各部门应加大监督管理，对一系列建筑工厂，化工厂等进行改革、整治，由于建筑土地极大容易产生噪声，大量尘土以及危害健康的有毒气体，建筑工地成为了重要监测区域。

建筑工地比较分散、不易管理，使得建筑工地环境监测起来困难，耗费的成本高，并且建筑监测设备不容易灵活使用，价格比较昂贵，建筑工地随着工程进度对环境监测的布置点需求随时改变，目前的监测设备灵活性不足。

实用新型内容

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的第一个方面提供一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，包括分别与两路终端节点连接的协调器，协调器还与计算机连接，终端节点和协调器均安装Zigbee模块，终端节点和协调器之间通过Zigbee模块实现无线通讯，协调器通过串口与计算机终端连接。

终端节点包括处理器和分别与处理器连接的时钟电路、复位电路、电源电路和Zigbee模块。

电源电路将5V的电压转换为3.3V。

协调器包括处理器和分别与处理器连接的时钟电路、复位电路、和Zigbee模块。

Zigbee模块具有Zigbee发送天线和Zigbee接收天线。

终端节点的处理器连接温湿度模块、粉尘模块和噪声模块中的至少一个，依据建筑工地的监测需求将终端节点布置在所需的位置。

处理器具有CC2530控制芯片。

温湿度模块包括DHT11温湿度传感器。

粉尘模块包括GP2Y1014AU粉尘传感器。

噪声模块通过声音传感器输出当前声音模拟量。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

基于Zigbee模块组网技术，来对建筑工地的环境进行监测、研究，解决了建筑工地施工产生的噪音跟扬尘得不到监管的问题，同时也有效的避免了传统检测设备传输线材过长、传输不方便带来的的问题，从而实现对建筑工地环境更好的监测。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型一个或多个实施例中所提供的终端节点结构示意图；

图2为本实用新型一个或多个实施例中所提供的协调器节点结构示意图；

图3为本实用新型一个或多个实施例中所提供的CC2530型控制芯片原理图；

图4为本实用新型一个或多个实施例中所提供的DHT11型温湿度模块原理图；

图5为本实用新型一个或多个实施例中所提供的GP2Y1014AU 型粉尘传感器与CC2530型控制芯片连接的原理图；

图6为本实用新型一个或多个实施例中所提供的HJduino分贝传感器接线原理图；

图7为本实用新型一个或多个实施例中所提供的3.3V稳压电路原理图；

图8为本实用新型一个或多个实施例中所提供的USB接口转 RS232接口原理图；

图9为本实用新型一个或多个实施例中所提供的监测流程示意图；

图10为本实用新型一个或多个实施例中所提供的终端工作流程示意图；

图11为本实用新型一个或多个实施例中所提供的DHT11型温湿度传感器工作流程示意图；

图12为本实用新型一个或多个实施例中所提供的安装温湿度模块的终端节点硬件结构示意图；

图13为本实用新型一个或多个实施例中所提供的安装粉尘模块的终端节点硬件结构示意图；

图14为本实用新型一个或多个实施例中所提供的安装噪声模块的终端节点硬件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

如图1-11所示，一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，包括分别与两路终端节点连接的协调器，协调器还与计算机终端连接，终端节点安装终端模式的Zigbee模块，协调器安装协调器模式的Zigbee 模块，终端节点和协调器之间通过Zigbee模块实现无线通讯，协调器通过串口与计算机终端连接。

终端节点连接温湿度模块、粉尘模块和噪声模块中的至少一个，依据建筑工地的监测需求将终端节点布置在所需的位置。

例如，如图12-14所示，终端节点包括第一终端和第二终端，每个终端连接温湿度模块(温湿度检测模块)、粉尘模块(粉尘检测模块) 和噪声模块(声音检测模块)中的至少一个，根据实际的监测需求将安装了不同检测模块的终端节点布置在监测所需的位置。

无论是温湿度检测、粉尘检测还是声音检测(噪声检测)都会对测点周边的环境具有特定的要求，结合建筑工地的实际情况，将搭载了对应检测模块的终端节点布置在检测所需的特定位置，终端节点和协调器之间通过Zigbee模块实现无线通讯。

具体的：

核心控制采用CC2530芯片，采用两路采集点一路中继点的模式来进行数据采集，利用通信结构为星型拓扑的结构。除CC2530芯片外，还有驱动芯片的外围电路，如下载电路、电源电路、晶振电路等一系列所用到的电路。

温度与湿度采集使用温湿度模块DHT11模块来进行数据采集。粉尘模块采用GP2Y1014AU型粉尘传感器。噪声监测采用声音传感器输出当前声音模拟量，通信结构采用一对多的星型网络拓扑结构，可以提高通信质量水平。

系统由监测传感器、通讯终端、通讯协调器和数据显示上位机构成，利用Zigbee自组网的特性实现建筑工地内的传感器数据传输。每个检测点检测不同的环境变量，并将检测完成的数据进行处理后通过无线发射单元进行发送，与其他模块进行通讯。

共设计两路终端检测点用来检测当前的环境数据，设计一路协调器单元，协调器单元作为整个系统的核心接收另外两路的传感器数据并上传至计算机终端用来显示。

此流程一般为：对于采集数据的监测点使用Zigbee的终端模式，而计算机处理系统通过串口连接模式为协调器模式的Zigbee模块，这两种模块具有自动组网传输功能，只要Zigbee终端模块进入连接范围则自动联机，并且自动上报数据。当Zigbee的终端模块读取到传感器返回的数值后，自动将数值进行处理提取出有效数值，之后将数值通过无线传输，传输到与终端模块相连接的协调器上。协调器负责连接各个终端模块并按照一定的顺序进行读取，协调器读取到正确数值后将数值汇总处理然后通过串口单元将数值上传给计算机处理系统，计算机处理系统显示当前各个采集点的传感器数据，就这样循环执行从而实现对建筑工地内多点环境的检测。

可选地，此系统采用Zigbee模块组网技术，对建筑工地环境监测，有效的解决了传统检测设备传输线材过长传输不方便的问题。

可选地，此设计采用CC2530 Zigbee无线传输模块，采用的是引脚数为40引脚的CC2530芯片，该芯片无需复杂的外围电路，仅需3.3V 供电电路和为芯片提供时钟脉冲的晶振电路。

可选地，本系统中需要将数据上传至上位机，所以需要用到232 串口模块，故本实施例采用CH340串口模块进行传输。CC2530的TXD 是P03口需要连接至CH340模块的TX端，CC2530的RXD是P02口需要连接只CH340模块的RX端。这样串口模块就可以与CC2530进行数据传输，将CC2530的串口数值转换为可以被上位机识别的USB电平从而进行上位机数据传输。

可选地，选用DHT11可以同时测量温度与湿度，不再需要额外的湿度传感器，降低了成本。对于此模块，传感器的引脚只有IO端口与单片机相连接，与该引脚相连接的单片机引脚为P07，其他引脚接高低电平或悬空，并且DHT11与单片机之间的通讯协议为单总线串行通讯。

可选地，对于粉尘模块，本系统选用GP2Y1014AU粉尘传感器。此模块分为红外LED驱动部分与检测输出部分。此传感器的1脚为红外LED电源正极，该接口经过150欧姆电阻接5V电源正，2脚为电源负极，接5V电源负极，3脚为LED控制接口接CC2530的P14接口。4 脚为检测端电源负极接5V电源负极。5脚为模拟输出端输出当前粉尘颗粒物浓度，接CC2530的P05端口，6脚为检测端电源正极接5V电源正极。

可选地，对于噪声模块，本系统选择HJduino分贝传感器。该模块有三个引脚，同时该模块只有一个输出口，其输出口连接到CC2530 的P06。该端口为模拟量输入端口，CC2530可以利用该端口直连内部数模转换模块将外部输入的模拟量转换为数字量。其它引脚接高或低电平。

可选地，本系统采用3.3V稳压电路进行电压的转换。设计采用 LM1117-3.3电压调节芯片进行5V-3.3V的转换。电源经LM1117的VIN 引脚输入，经过芯片内部的处理降压通过芯片的VOUT引脚输出。 LM1117芯片两端的10UF旁路电容可以使输出的电压波形更好，起到了滤波稳压的作用。LM1117电压输出精度在±1％以内，保证了稳压电路的可靠性使单片机工作更加稳定。

可选地，本实施例中所有Zigbee节点所检测的环境数据，都通过协调器进行接收处理然后通过RS232通讯接口传输到上位机进行显示串行通讯电路采用的是USB转RS232电路，采用CH340总线转接芯片进行电平信号的转换。协调器的CC2530芯片的TXD接到CH340的TX接口，将CC2530的RXD接到CH340的RX接口，数据经过CH340 的处理后，通过CH340的D+、D-传输到USB接口的D+、D-端口，从而实现了RS232串行数据的传输，并将传感器所采集的环境数据送往上位机进行显示。

基于Zigbee模块组网技术，来对建筑工地的环境进行监测、研究，解决了建筑工地施工产生的噪音跟扬尘得不到监管的问题，同时也有效的避免了传统检测设备传输线材过长、传输不方便带来的的问题，从而实现对建筑工地环境更好的监测。此系统由两个Zigbee终端设备以及一个Zigbee协调器设备组成，通过这三个设备的组网监控来对建筑工地环境的湿度、温度、粉尘气体、以及噪音等因素进行测量，从而达到灵活测量建筑工地环境的目的。

采用Zigbee模块组网技术，对建筑工地环境监测，有效的解决了传统检测设备传输线材过长传输不方便的问题。采用以CC2530芯片为核心，设计两路通讯点，一路中继点，来对建筑工地环境的湿度、温度、粉尘、还有噪音等因素进行测量。本设计还有驱动芯片的外围电路，如下载电路、电源电路、晶振电路等。利用DHT11传感器来进行环境温度与湿度数据的采集。对于粉尘，使用粉尘传感器 GP2Y1014AU进行粉尘检测、测量。噪声监测采用声音传感器输出当前声音模拟量，通信结构采用一对多的星型网络拓扑结构。

图1为本实施例中的终端节点结构示意图，图2为协调器节点结构示意图，如图所示，利用两路终端节点作为检测点用来检测当前的环境数据，一路协调器节点单元作为整个系统的核心接收另外两路终端节点的数据并上传至计算机终端用来显示。

在建筑工地内部署多点传感器进行环境数值检测，因为各个检测点距离较远，数据使用有线传输极为不便，从而使用Zigbee模块进行数据传输，对于采集数据的监测点使用Zigbee的终端模式，而计算机处理系统通过串口连接模式为协调器模式的Zigbee模块，这两种模块具有自动组网传输功能，只要Zigbee终端模块进入连接范围则自动联机，并且自动上报数据。

当Zigbee的终端模块读取到传感器返回的数值后，自动将数值进行处理提取出有效数值，之后将数值通过无线传输，传输到与终端模块相连接的协调器上。协调器负责连接各个终端模块并按照一定的顺序进行读取，协调器读取到正确数值后将数值汇总处理然后通过串口单元将数值上传给计算机处理系统，计算机处理系统显示当前各个采集点的传感器数据，就这样循环执行从而实现对建筑工地内多点环境的检测。

对于控制芯片CC2530，其原理图如图3所示。CC2530的TXD是P03 口需要连接至CH340模块的TX端，CC2530的RXD是P02口需要连接只CH340模块的RX端。这样串口模块就可以与CC2530进行数据传输，将CC2530的串口数值转换为可以被上位机识别的USB电平从而进行上位机数据传输。

图4为DHT11温湿度传感器原理图，其有数字模块和温湿度传感器，包含已经校准好的数字信号温湿度传感器，同时内部包括数字信号输出同时内部有一个8位的微处理器。其引脚数为四个，功能分别是VCC、IO、NC、GND。在本实施例中此传感器的引脚只有IO端口与单片机相连接，与该引脚相连接的单片机引脚为P07，其他引脚接高低电平或悬空，并且DHT11与单片机之间的通讯协议为单总线串行通讯。

粉尘传感器的原理是利用红外LED光源对粉尘进行检测，其接口分为两部分分别为红外LED驱动部分与检测输出部分。图5中此传感器的1脚为红外LED电源正极，该接口经过150欧姆电阻接5V电源正， 2脚为电源负极，接5V电源负极，3脚为LED控制接口接CC2530的P14 接口。4脚为检测端电源负极接5V电源负极。5脚为模拟输出端输出当前粉尘颗粒物浓度，接CC2530的P05端口，6脚为检测端电源正极接5V电源正极。

对于噪声传感器，其采用咪头麦克风作为主要测量器件，加上外部相应的驱动电路用来测量声音的大小。当声音传入咪头传感器时传感器会输出电压信号至放大电路，信号经过放大后最终输出到单片机。噪声分贝测量模块输出的是模拟量信号，该信号随着外界噪声的变化而变化。该模块的最小工作电压为3.3V，最大工作电压为5.5V。可以检测声音的频率范围为100-1000HZ，输出的信号的范围为0-3V 是模拟量，所以需要ADC模数转换模块配合使用。如图6所示，该模块有三个引脚，同时该模块只有一个输出口，其输出口连接到CC2530 的P06。该端口为模拟量输入端口，CC2530可以利用该端口直连内部数模转换模块将外部输入的模拟量转换为数字量。其它引脚接高或低电平。

控制芯片CC2530需要一个3.3V稳压电路进行电压的转换，将5V 的电池电压转换为稳定的3.3V供电。如图7本实施例采用LM1117-3.3 电压调节芯片进行5V-3.3V的转换。电源经LM1117的VIN引脚输入，经过芯片内部的处理降压通过芯片的VOUT引脚输出。LM1117芯片两端的10UF旁路电容可以使输出的电压波形更好，起到了滤波稳压的作用。LM1117电压输出精度在±1％以内，保证了稳压电路的可靠性使单片机工作更加稳定。

图8中串行通讯电路采用的是USB转RS232电路，采用CH340总线转接芯片进行电平信号的转换，CH340的作用是将普通的串口信号数据转换为可被USB总线识别的的数据，在本实施例中将作为协调器的 CC2530芯片的TXD接到CH340的TX接口，将CC2530的RXD接到CH340的RX接口，数据经过CH340的处理后，通过CH340的D+、D- 传输到USB接口的D+、D-端口，从而实现了RS232串行数据的传输，并将传感器所采集的环境数据送往上位机进行显示。

图9为建筑工地环境监测的流程图，其流程为当系统上电后，协调器的各个模块进行初始化动作，还有Zigbee的天线单元进行硬件初始化。当初始化动作完成后，协调器进入待机模式等待其他Zigbee终端的连接，当有Zigbee终端节点连接到协调器时，协调器给其自动分配地址通道已准备进行数据传输。此时Zigbee终端节点开始向协调器上传数据传输间隔为三秒，协调器接收到数据后，通过读取包头获取当前接收的是哪一路终端的环境数据，进行数据加工处理。当数据处理完成后，协调器通过串行接口向上位机传输处理好的数据，上位机接收后显示在串口终端上。此时就完成了一次数据传输，协调器将继续等待后续环境数据的接收。

Zigbee终端工作流程分为以下几步：系统电源上电，Zigbee终端开始工作。系统开始工作后各个传感器模块开始进行初始化，温湿度传感器进行初始化，噪声传感器或者粉尘传感器进行片内ADC初始化。系统初始化完成后Zigbee终端开始寻找区域信号内的协调器，若寻找到协调器则开始对协调器进行连接。如果没有寻找到则继续寻找，直到找到为止。当与协调器建立连接后，系统开始读取当前传感器的数值，读取完成后开始对数值进行字符化处理。传感器数值处理好后，系统将数据通过Zigbee网络发送到协调器端。此流程图如图10 所示。

图11中温湿度传感器的工作步骤分为以下几步：(1)首先要对温湿度传感器进行初始化设置，使数据初始化。(2)在它收到读取命令后，终端节点要通过温湿度传感器来对建筑工地环境的温度、湿度等信号进行收集并把收集到的模拟信号转换成数字信号。(3)数据信号通过控制中心转换后得到温湿度的个位、十位数据，同时通过校验检测位来检测数据正确或者错误。(4)若此时数据如果没有错误的话，那就将数据发送给协调器；如果数据存在错误，那就重新进行收集数据，同时再次进行上面的步骤。

基于Zigbee模块组网技术，来对建筑工地的环境进行监测、研究，解决了建筑工地施工产生的噪音跟扬尘得不到监管的问题，同时也有效的避免了传统检测设备传输线材过长、传输不方便带来的的问题，从而实现对建筑工地环境更好的监测。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：包括分别与两路终端节点连接的协调器，协调器与计算机连接，终端节点和协调器均安装有Zigbee模块，终端节点和协调器之间通过Zigbee模块实现无线通讯，协调器通过串口与计算机终端连接。

2.如权利要求1所述的一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：所述终端节点包括处理器和分别与处理器连接的时钟电路、复位电路、电源电路和Zigbee模块。

3.如权利要求2所述的一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：所述电源电路将5V电压转换为3.3V。

4.如权利要求1所述的一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：所述协调器包括处理器和分别与处理器连接的时钟电路、复位电路、和Zigbee模块。

5.如权利要求2或4所述的一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：所述Zigbee模块具有Zigbee发送天线和Zigbee接收天线。

6.如权利要求2或4所述的一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：所述处理器具有CC2530控制芯片。

7.如权利要求2所述的一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：所述终端节点的处理器连接温湿度模块、粉尘模块和噪声模块中的至少一个，终端节点的布置位置依据建筑工地的监测需求设定。

8.如权利要求7所述的一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：所述温湿度模块包括DHT11温湿度传感器。

9.如权利要求7所述的一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：所述粉尘模块包括GP2Y1014AU粉尘传感器。

10.如权利要求7所述的一种基于Zigbee的建筑工地环境监测系统，其特征在于：所述噪声模块通过声音传感器输出当前声音模拟量。

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