一种基于物联网的建筑工地监测控制系统的制作方法

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于物联网的建筑工地监测控制系统。

背景技术：

目前，随着工业化、城市化进程的加快，建筑物的建设施工已成常态。人们在关注建设的规模和速度的同时也更加关注建筑物的质量和施工的安全。然而，实际情况却并不尽如人意。正如人们所知，在某些建筑工程中，由于技术、管理等的不到位，导致建筑质量差、安全隐患多且事故频发。

工业物联网旨在将传统工业提升到网络化、智能化的新阶段，其应用具有实时性、开放性等特点，其原理是将不同的设备机器联网，通过其上的传感器或控制器分别获取设备工况状态或环境信息，分析优化设备工效能耗，进行设备管理和反馈控制；如何在工业物联网中方便有效地实现对设备的远程控制，成为一个关键问题，传统的设备控制技术载体，要么是软硬件需专门开发且紧密绑定设备的单片机控制器，要么是硬件通用但控制软件需专门开发的plc，或者是也需定制开发控制算法的上位控制机，该类工业互联网环境下设备的远程控制存在如下不足：

1、设备控制算法固化，可扩展性差，事先针对特定设备编写控制算法，控制算法固化，一旦设备的控制逻辑有变动或有新的设备接入则需要重新编写控制程序，因此难以适应工业物联网的动态应用需求；

2、难以实现多设备的远程协同控制，兼容性差，传统通过上位机发送控制指令实现对单台或有限区域内的多台设备进行控制，通常为局域网内闭环控制，在工业物联网开放环境下，设备具有离散性、动态性(随时加入新类型设备)，如何针对海量传感器和设备，在云端远程协同控制设备是当前面临的挑战；

3、难以保证设备远程控制的连续性，目前工业物联网中对于设备远程控制的方式是由云服务器发送设备控制指令到设备的控制器，如单片机控制器或plc或控制机，实现对具体某台设备的控制，这种控制方式交互性差，难以实现对设备的连续远程调控。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种基于物联网的建筑工地监测控制系统，在物联网的基础上实现边缘侧的通用设备控制，可对建筑工地内的环境以及设备实现实时监测和远程控制，可扩展性大、远程控制方便。

技术方案：本发明所述的一种基于物联网的建筑工地监测控制系统，包括云平台、边缘计算服务器层、边缘控制层和基础场景层；

所述的云平台与所述边缘计算服务器层相互通讯，实现数据交互和全过程追溯；

所述的边缘计算服务器层与所述边缘控制层相互通讯，获取所述边缘控制层的各项数据，并对数据进行处理分析，发出对基础场景层中设备的控制信号以及报警信号；

所述的边缘控制层与所述基础场景层相互通讯，获取基础场景内的各项数据，实现对基础场景内设备进行控制；

所述的基础场景层包括建筑工地场景中的各个区域的控制模块，包括智能高低压配电箱、环境监测模块、塔吊监测模块、安全与门禁模块以及设备监测与控制模块。

进一步的，所述边缘计算服务器层包括边缘计算服务器和物联网基础数据管理工具软件。

进一步的，所述边缘计算服务器层与所述边缘控制层之间通过mqtt物联网协议或无线方式进行相互通讯；所述边缘控制层与所述基础场景层之间通过mqtt物联网协议或无线方式进行相互通讯。

进一步的，所述边缘控制层包括若干个边缘计算控制电箱以及物联网配电箱，所述物联网配电箱与所述智能高低压配电箱连接；所述边缘计算控制电箱分别各自与环境监测模块、塔吊监测模块、安全与门禁模块以及设备监测与控制模块连接。

进一步的，所述物联网配电箱内安装有边缘计算控制电箱。

进一步的，所述边缘计算控制电箱和物联网配电箱包括采用mqtt协议或无线通讯协议的多功能边缘控制模块，该控制模块包括采集电路、通信电路、主控电路和电源电路。

进一步的，所述边缘计算控制电箱采用高防护等级金属外壳，快速插拔弹簧端子，可在复杂电磁环境下可靠工作，用于大型机电设备及配电设备的智能化监控、数据采集及网络化运行管理，具备可编程功能且支持云端程序下载。

进一步的，所述环境监测模块包括空气监测装置、废水监测装置、有害物质监测装置；所述的空气监测装置设置在工地的内部和边缘，用于监测工地内部及周边环境的空气质量；所述的废水监测装置设置在工地的污水排放口出，用于监测工地内部排放的污水水质；所述的有害物质监测装置设置在工地的有害物质存放和使用的地点，用于监测有害物质的处理和使用过程。

进一步的，所述塔吊监测模块包括操作监控摄像头和吊钩监控摄像头；所述的操作监控摄像头设置在塔吊驾驶室内，所述的吊钩监控摄像头设置在塔吊驾驶室外侧，用于监视塔吊吊钩的情况。

进一步的，所述安全与门禁模块包括至少一个智能安全帽、门禁设备、电子围栏、分散设置在工地部分楼层地面的参考节点；其中，所述智能安全帽包括安全帽本体和安装在所述安全帽本体内部的安全监测电路板和电源模块，还包括设置于所述安全帽本体边沿侧的充电接口和告警模块，以及设置于所述安全帽本体前侧的rfid电子标签；所述安全监测电路板上集成有控制模块、无线通信模块和检测模块，所述控制模块分别与所述无线通信模块、所述检测模块电连接；

所述门禁设备包括根据工地出入口进出路线作线性排列的天线和rfid读写器；

所述电子围栏由设置在工地的各危险源的信标组成；

所述分散设置在工地部分楼层地面的参考节点具体为具有通信功能的气压测量设备，用于采集相应楼层地面的气压作为基准气压，并广播所述基准气压。

有益效果：本发明的有益效果如下：

(1)采用统一通用标准的边缘控制设备，实现数据透明化，通过具有不同功能的组件化控制产品，根据设备管理需求快速搭建物联网控制场景，便于对繁杂多样的各种机电设备进行物联网化改造；

(2)边缘控制设备支持mqtt协议和无线通信多重选择，具有远程编程能力，高可靠性设计使之可以在复杂环境下运行(如变频或其它强干扰源附近)，通过工业现场总线(如modbus)对变频器、智能仪表、电梯、热交换机组等大型机电设备实现控制管理，配合其它智能组件可实现复杂设备或设备群组的控制管理；

(3)边缘控制设备直接产生的带有数据标签数据，在设备设施层面彻底实现了数据透明化，可便于云端自动化、高效的处理数据，并降低了各种应用清洗数据的工作强度；

(4)系统提供专业化物联网基础数据管理工具及相应的本地边缘计算设备，该软件既可部署于云端也支持本地化部署；

(5)采用智能加工系统将塔机设备、低压配电系统、智能控制系统通过工厂化、智能化生产方式有机结合在一起，将目前的机电设备配电设施与智能控制设备实现一体化设计、智能化快速加工并在工厂生产阶段完成控制系统的调试、云端预部署、智能组件数据集成和性能测试及云端预部署，进而将目前传统的工程施工方式变革为标准化、模块化、产品化、组装式的施工模式由此带来工程品质、生产效率的革命性提高；

(6)采用丰富云环境项目协作平台，这是个综合了设计、生产、工程、调试、运维、管理的多维度协作空间，利用这个平台可使项目实现完全透明化管理，设计、采购、生产、施工、交付及运维全过程追溯。

附图说明

图1为本发明一个实施例的整体拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例中云平台的数据分析管理工具总体架构图；

图3为本发明一个实施例的边缘控制模块结构原理图；

图4为本发明一个实施例的边缘控制模块外形结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例中一种基于物联网的建筑工地监测控制系统，包括云平台、边缘计算服务器层、边缘控制层和基础场景层。该建筑工地监测控制系统是针对未来智慧工地及智慧城市需求开发的自主可控的新一代物联网控制系统；支持标准物联网协议，具有良好的云适应性，可与各种云端物联网管理平台融合，该系统提供了智慧工地安监控制管理领域的全面的物联网解决方案。

其中，所述的云平台与所述边缘计算服务器层相互通讯，实现数据交互和全过程追溯。该云平台采用丰富云环境项目协作平台，综合了设计、生产、工程、调试、运维、管理的多维度协作空间，利用这个平台可使项目实现完全透明化管理，设计、采购、生产、施工、交付及运维全过程追溯。

其中，所述的边缘计算服务器层与所述边缘控制层相互通讯，本实施例中优选地，边缘计算服务器层与所述边缘控制层之间通过mqtt物联网协议进行相互通讯，获取所述边缘控制层的各项设备数据，并对设备数据进行处理分析，发出对基础场景层中设备的控制信号。当然，为了通讯的便捷性以及布设的方便性，计算服务器层与所述边缘控制层之间还可以选用无线通讯方式，比如5g通讯等。

本实施例中，边缘计算服务器层包括服务器和物联网基础数据管理工具软件。是软硬件一体化的智慧工地领域边缘计算设备，由本地化部署的服务器预制专业物联网数据处理软件组成，该软件获取物联网控制设备数据，并具有根据各种场景需求对数据的处理能力。该工具软件可通过创建数据、对象并建立相关数据、对象间的逻辑关系实现物联网设备间的控制及协调管理，或与云端其它专业应用交换数据。如实现时间表管理、事件管理、报警管理等、接口函数，同时提供用户需求的报表、图表创建能力，采用预置可视化界面方式实现用户可视化监控需求，对于未来可能出现的不同角色的管理需求，统一通过对数据的操作权限设置来解决。

云平台及各应用通过接口函数以对象形式在基础数据管理软件中实现与数据的关联。在不改变基础数据处理软件对于数据操作方式前提下实现各个应用在基础数据处理工具软件赋予的权限范围内工作，工具软件既是专业人员进行项目实施的工具也是用户管理人员的管理工具。

该云平台通过对接边缘控制器的设备数据信息，面向用户提供对物联网控制设备的可视化操作工具。主要实现设备实时数据显示、权限设置、安全管理、个性定制报警规则及报警处理流程，同时可以设定定时任务自动调度预置的事件(如定期制作报告、定时启停设备等)。此外，支持各类图表、运行数据、处理事件等的展示和查询，是一款便捷的组态工具和完善的管理应用，为提升管控能力和设备安全水平提供支撑。

云平台的数据分析管理工具总体架构如图2所示，主要的模块包括以下几部分：

流计算引擎：从平台消息队列中接收消息通知拉取设备数据，分布式地在多机内存中对流数据进行处理，实时分析、指标统计、报表数据生成。另外，流引擎与规则引擎无缝集成，将数据与规则引擎中配置的规则进行匹配，产生相应的报警、事件信息。典型的流计算引擎包括apacheflink和spark。

规则引擎：基于apachedrools的规则引擎，用于配置产生警报、事件的规则，将规则与程序进行分离，便于规则的定制与修改。

工作流引擎：基于apacheactiviti的工作流引擎，根据角色、分工和条件的不同决定信息、事件、警报等的处理流程、传递路由，提供定时、通知发送、回执确认等多种功能，支持bpmn标准，包括流程的节点管理、流向管理、流程样例管理等重要功能。

消息队列：基于kafka消息队列提供事件和消息的发布订阅，实现系统内部各组件间交互关系的解耦，同时提供消息的持久化、回放功能。

微服务框架：基于springcloud的微服务框架提供微服务注册、调用、管理、路由、熔断等多种功能，系统微服务主要包括业务微服务、分析微服务、api微服务三类，其中业务微服务与业务处理相关联，比如能耗管理、温度控制等、分析微服务提供数据的实时分析、批量统计、报表数据生成等功能、api微服务提供api接口，用于设备状态查询、事件通知注册、设备信息获取等功能。微服务网关提供基于https的安全连接、实现多连接的负载均衡。

安全管理模块：提供用户认证、授权管理、session管理功能，实现系统间用户的统一身份管理、二级鉴权管理。

客户端：提供浏览器和移动设备两种客户端访问方式，支持chrome、android等多种浏览器和手机平台。

存储系统：采用mongodb数据库，支持schema的灵活变更，同时也采用了mysql存储相关的关系型数据库。数据分析管理工具可以直接对设备数据、状态进行订阅、数据库查询、命令下行发送控制，实现用户统一身份认证、二级权限管理。

本软件采用微服务的设计思想，选用springcloud作为微服务框架，springcloud基于springboot，为微服务体系开发中的架构问题提供了一整套的解决方案，如服务注册与发现，服务消费，服务保护与熔断，网关，分布式调用追踪，分布式配置管理等等，不仅简单配置、开发成本低、轻松部署、方便测试，且风险较小。

依据微服务的设计思想结合平台功能需求，将平台分成19个后台微服务，包括：数据订阅消费服务、实时设备数据处理服务、实时指标计算和展示服务、设备数据管理服务、对象管理服务、事件管理服务、数据分析服务、点位监控服务、规则配置管理服务、时间调度服务、工作流服务、事件处理服务、指令下发服务、时钟同步服务、报警通知服务、消息服务、文件上传服务、日志服务、权控服务。

本实施例中，所述的边缘控制层与所述基础场景层相互通讯，获取基础场景内设备的数据，实现对基础场景内设备进行控制。优选地，所述边缘控制层与所述基础场景层之间通过mqtt物联网协议或无线方式进行相互通讯。由于基础场景中各个模块分布较多，且布线困难，因此边缘控制层与所述基础场景层之间优选通过无线方式进行相互通讯，优选采用5g无线通讯方式，也可以采用其他无线通讯方式，4g等。

本实施例中，如图1所示，根据基础场景的设置，边缘控制层包括若干个边缘计算控制电箱和物联网配电箱。其中，物联网配电箱内也安装有边缘计算控制电箱，简言之，根据匹配的基础场景控制要求，可以选择直接通过边缘计算控制电箱对场景中设备进行直接控制，也可以采用与配电箱相结合实现多元化的控制。

本实施例中优选地，所述边缘计算控制电箱包括采用mqtt协议或无线通讯方式的的多功能物联网边缘控制模块，该控制模块包括采集电路、通信电路、主控电路和电源电路。

该多功能物联网边缘控制模块支持mqtt协议具有远程编程能力，高可靠性设计使之可以在复杂环境下运行(如变频或其它强干扰源附近)，通过工业现场总线(如modbus)对变频器、智能仪表、塔机、施工电梯、照明设备等大型机电设备实现控制管理，配合其它智能组件可实现复杂设备或设备群组的控制管理。该产品采用高防护等级金属外壳，快速插拔弹簧端子，可在复杂电磁环境下可靠工作，主要用于大型机电设备及配电设备的智能化监控、数据采集及网络化运行管理。

如图3和图4所示的其中一种边缘控制模块结构示意图，其具备专用hmi接口和网络接口，用户可通过触摸式液晶屏就地实现对设备的控制操作。通过多个rs485接口，若干i/o及电气火灾传感器接口，可实现如门禁系统、环境监测及其它热源设备、空调机组、新风机组、电梯、变频器、低压配电盘柜、照明设备、多参数电力仪表等机电设备的智能化监控管理。

本实施例中，边缘控制模块的主控电路采用stm32系列芯片，为了控制需要，其他型号的边缘控模块还可以采用stm32系列芯片作为主控电路。其中，主控电路还分别连接有采集电路、电源电路和继电器控制电路，其中采集电路连接有通信电路，其中通信电路包括了上行通信电路和下行通信电路，上行通信电路采用mqtt通讯协议电路与服务器进行双向通信，下行通信电路采用rs485通信电路。

本实施例中，针对不同的基础场景，边缘计算控制电箱还需要适配连接各种环境监测传感器、电压电流传感器、视频监控装置、触摸面板、nfc通讯模块以及远程控制模块等对具体的场景设备进行监测与控制。比如说，对连接的氨氮传感器，可以对排污口的污水氨氮情况进行监测，对连接的电流传感器，可以对建筑工地用电设备的电流进行监测等等。

本实施例中，对于建筑工地各种高低压设备，可以通过连接智能高低压配电箱，实现对高低压用电设备的电流、电压、功率、功率因数、耗电量、运行时间、负载变化等进行实时运行数据监测与报警。

本实施例中的高低压设备包括但不限于照明设备、塔机、施工电梯、爬架、潜水泵、钢筋设备及宿舍用电设备，智能高低压配电箱对所述全部用电设备进行数据采集和控制。

配电箱内配置边缘计算物联网集成/控制模块，采用变频器，并通过总线层数据集成方式实现了变频器与物联网控制器的深度融合，用户可通过网络获取变频器海量运行及能耗数据并进行控制，边缘计算物联网集成/控制模块可自由编程，用户既可针对空调新风机组的设备及应用工艺数据选择相应的控制逻辑实现控制功能，也可自行开发控制逻辑，满足某些特殊情况下的控制需求。

通过选配智能传感器及相应的智能执行机构，通过极简施工、智能化辅助调试工具低成本的快速完成控制设备的现场布属工作。边缘计算物联网集成/控制模块支持云端控制逻辑管理，专业人员及云端ai应用可随时分析运行数据，修正控制逻辑，不断完善设备的运行状态，对每台设备实现全寿命期的智慧化实时运维。

本实施例中，对于环境情况监测，环境监测模块包括空气监测装置、废水监测装置、有害物质监测装置；所述的空气监测装置设置在工地的内部和边缘，用于监测工地内部及周边环境的空气质量；所述的废水监测装置设置在工地的污水排放口出，用于监测工地内部排放的污水水质；所述的有害物质监测装置设置在工地的有害物质存放和使用的地点，用于监测有害物质的处理和使用过程。

本实施例中，对于塔吊情况监测，塔吊监测模块包括操作监控摄像头和吊钩监控摄像头；所述的操作监控摄像头设置在塔吊驾驶室内，所述的吊钩监控摄像头设置在塔吊驾驶室外侧，用于监视塔吊吊钩的情况。

本实施例中，安全与门禁模块包括至少一个智能安全帽、门禁设备、电子围栏、分散设置在工地部分楼层地面的参考节点；其中，所述智能安全帽包括安全帽本体和安装在所述安全帽本体内部的安全监测电路板和电源模块，还包括设置于所述安全帽本体边沿侧的充电接口和告警模块，以及设置于所述安全帽本体前侧的rfid电子标签；所述安全监测电路板上集成有控制模块、无线通信模块和检测模块，所述控制模块分别与所述无线通信模块、所述检测模块电连接；

所述门禁设备包括根据工地出入口进出路线作线性排列的天线和rfid读写器；

所述电子围栏由设置在工地的各危险源的信标组成；

所述分散设置在工地部分楼层地面的参考节点具体为具有通信功能的气压测量设备，用于采集相应楼层地面的气压作为基准气压，并广播所述基准气压。

所述智能安全帽用于在佩戴人员进入工地后，对佩戴人员进行高度定位、运动姿态检测和异常告警。具体地，智能安全帽可实时测量佩戴人员距离地面的数值，可以对佩戴人员的运动姿态进行检测，包括运动、静止、跌落和倒地4种姿态，其中，1)静止姿态：静止判断标准为超过t1分钟无任何运动，静止姿态不进行语音提示，也不会立即上报，而是随整体状态信息周期上报；2)倒地姿态：倒地判断标准为偏离站立姿势θ角并静止持续t2分钟以上；3)坠落告警：出现自由落体运动并超过t3秒；4)运动姿态：非以上3种姿态即是运动姿态。并在检测到佩戴人员出现坠落或倒地异常状态时，立即通过无线通信方式上报警报信息。管理人员可通过后台监控系统看到报警提示，并及时组织救援。

所述智能安全帽还用于周期性地扫描所述电子围栏发出的无线信号，并在佩戴人员进入所述电子围栏的警戒区域时发出告警提示。具体地，智能安全帽周期性地扫描所述电子围栏发出的无线信号，并根据检测到的信标id确定危险源类型特征，根据信号强度确定安全帽到信标的空间距离，若所述空间距离满足触发所述危险源类型特征对应的安全报警的条件，则触发告警模块进行相应的告警提示。

除此之外，所述后台监控系统还用于在佩戴人员出入所述门禁设备时，根据所述天线接收到的rfid电子标签的先后顺序实现自动考勤；实时显示目前的出勤人员情况、电子围栏的分布情况，方便管理人员对工地进行管理；当收到智能安全帽发送的异常告警信息时，发出报警信息并通知管理人员；还可以向所述智能安全帽下发撤退指令和其他安全相关指令，以便于现场作业人员及时撤退或采取安全措施。

本实施例中，还可以包括视频监测模块，包括配备在各个地方的摄像机，用于针对建筑工地的各个地方进行远程视频监控，并供视频浏览、图像抓怕、语音监听、存储以及云平台控制功能。

本实施例中，设备监测与控制模块，可以对建筑工地内的各种设备包括但不限于照明设备、塔机、施工电梯、爬架、潜水泵、钢筋设备及宿舍用电设备的使用状态进行实时监测，当某个设备使用状态异常即发生故障时，通过边缘控制电箱与服务器层相互通讯，通知管理人员进行处理。比如监测到某个施工电梯发生故障时，根据传回的具体电梯编号以及具体故障楼层，可以快速的对对应的故障电梯进行维修，大大提高了效率。同时比如监测到钢筋设备发生异常时，为了安全起见，可以远程关闭对应的钢筋设备，避免发生意外等。

本发明基于物联网技术，通过云平台、边缘计算服务器与边缘计算控制组件三位一体相结合，实现了对建筑工地中不同基础场景的监测和控制。采用统一通用标准的边缘控制设备，实现数据透明化，通过具有不同功能的组件化控制产品，根据设备管理需求快速搭建物联网控制场景，便于对繁杂多样的各种机电设备进行物联网化改造。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。