基于物聯網及云與大數據技術的馬歇爾重型擊實儀的研究

摘 要為順應當代物聯網科技的發展趨勢，也為廠家及施工單位及監理單位等試驗室相關管理部門提供大數據服務，本文就馬歇爾重型擊實儀作簡單介紹、對物聯網技術及云與大數據技術與馬歇爾重型擊實儀結合帶來的好處、系統架構、電路研究、軟件設計需求等幾個方面做了一定的闡述，本文對現有馬歇爾重型擊實儀的研究增加了相關的數據通信電路，提出了一套新的試驗室管理模式即全實時數據服務系統，為設備云的數據鏈路的暢通提供技術保障，也可以為公路試驗室系統研究的相關工作者帶來一定的創新思維。

【關鍵詞】物聯網 云與大數據 重型 馬歇爾 擊實儀 設備云 數據采集 抗干擾 瀝青混合料 公路工程 工地 現場

1 目前現有馬歇爾重型擊實儀的簡單介紹

馬歇爾試驗是公路工程中必備的基礎測試項目，對于施工單位需要知道碎石與瀝青混合配比是否達到國家鋪路材料的標準，監理單位也需要知道施工單位鋪路的材料是否合格，故馬歇爾試驗的測試數據直接影響修路的合格與否，其中制備試件的儀器設備就有小馬歇爾擊實儀和大馬歇爾擊實儀，大馬歇爾擊實儀也稱為馬歇爾重型擊實儀。

馬歇爾重型擊實儀是實現大馬歇爾試驗試件制備的必備設備，是在傳統手工設備的基礎上采用電機驅動，通過鏈條及齒輪等機械裝置把一定重量的重錘提高到一定的高度，對試模內瀝青混合料進行擊實，按標準75（或112）錘，對熱拌瀝青混合料擊實成型的過程。擊實儀分兩部分，第一部分是機械部分、第二部分是電路部分。機械部分主要是支架、卡具、電機、鏈條傳動、重錘。電路部分有電氣儀表外殼箱體、傳感器（霍爾傳感器、機械式開關）、電路板、交流接觸器、變壓器等。現有的馬歇爾重型擊實儀只有試件制備功能，沒有物聯網數據傳輸功能，也不支持云服務功能更不支持大數據服務功能。

2 物聯網技術及云與大數據技術與馬歇爾重型擊實儀結合帶來的好處

物聯網是當前的科技發展的趨勢，是目前乃至十年內的各行業大力發展的推行的技術，通過物聯網，可以實現現場龐大數據的采集，通過云服務可以實現現場數據的存儲及分享及計算分析，真正突破信息孤島，把現場的數據及設備自身的狀況等信息實時傳輸到數據中心，通過大數據技術實現廠家、施工單位、監理單位等數據需求部門跟單位全天候的數據服務。真正實現公路試驗設備的云服務，為實現全實時試驗室數據管理提供了技術手段和方法。

我們知道數據的準確性及可溯源性是試驗相關部門非常關注的，在實際工作中，好多數據可能會出現錯誤、紕漏或作假，人為故意的可能性也有，有的是操作人員疏忽大意，或不小心，或不注意沒有按流程做，擊實次數不到要求的次數，或溫度等條件不滿足。也有設備本身的問題，例如恒溫設備溫度誤差大，擊實儀設備自身問題導致計數不準確、甚至漏錘等。

如果有了物聯網技術及云跟大數據技術，我們可以跟蹤每一批次的試件制備的時間，制備的條件，制備的工作人員，設備的狀況，設備的廠家情況，設備的維修情況等都及時傳輸到數據中心，當有試驗人員需要做測試的時候，測試的數據與試件制備的數據可以串聯起來，從而實現試驗室的全生態鏈的數據服務，真正實現實驗室全實時數據服務，杜絕試驗室作假，及時記錄現場情況，可以重現現場情況，記錄所有的細節為各個部門提供真實的過程數據。還可以把過程用視頻攝像記錄存儲下來，作為試驗室數據采集的配套，可以隨時重現試驗室過程，發現問題時，可以現場重現。

大數據服務內容有：

（1）廠家型號等信息收集，可以分析不同廠家不同型號的性能好壞，提供給用戶以后采購決策服務；

（2）資產管理部門可以隨時掌握設備的總數量及可用設備及不可用設備等信息；

（3）資產管理部門也可以知道的設備的運行空置情況，好掌握設備的運行總時間等信息，為維保提供依據；

（4）工地試驗室及監理公司可以看到試件是什么試驗室制備的，制備人是誰，有效試件是多少；

（5）可以知道不同人制備的試件成功測試數據的試件是多少；

（6）不同人的效率及成品率。

（7）廠家可以分析了解同一型號產品在不同區域的運行情況，可以為廠家提供全國同一區域和不同區域產品使用情況的對比；

（8）廠家可以分析不同型號的產品在同一地區的運行情況，保養維修情況，可以為設備提前安排相關保養提供數據支撐，保養的提前通知，設備檢修準備提前通知等；

（9）廠家可以適時了解設備的故障率，為售后備品備件等提前作好準備，也為廠家的產品改進提供數據支撐；

（10）廠家還可以通過大數據分析了解不同用戶的設備保養情況、使用情況、壞損率、做出市場銷售的決策，不同客戶采用不同的銷售策略。

3 基于物聯網技術及云與大數據技術的馬歇爾重型擊實儀的系統架構

馬歇爾重型擊實儀的數據服務系統架構包括四個層次：

第一層傳感器層：試驗室的單體設備的計數傳感器、遠程網絡視頻頭，手機等，采集的數據包括實驗室位置、試件制備的批號、工作人員的姓名、制備的數量、設備運行的開始時間及結束時間、保養時間、保養項目、保養人、維修時間、維修人、維修問題等；

第二層數據鏈路層：無線泛在網、GPRS無線網絡、光纖或其他的有線網絡；

第三層數據中心：云中心的核心就是數據中心，數據中心具有存儲、計算分析功能，云中心不是普通意義的數據中心是基于虛擬化的云管平臺或基于容器技術的云平臺，這樣的平臺是彈性可擴展的；

第四層應用服務層：SASS平臺軟件提供給監理公司、施工單位、設備廠商提供數據應用服務。

4 基于物聯網技術及云與大數據技術的馬歇爾重型擊實儀的電路研究

電路部分包括：電源部分、CPU數據采集、鍵盤輸入、顯示強電控制及通信電路部分。

4.1 電源部分包括AC-DC、直流降壓及穩壓部分

電源部分主要考慮CPU部分供電與控制部分的電路的地的隔離，需要多組電源供電，CPU控制部分電路與強電部分采用光電隔離器件使強電控制部分的干擾不易影響CPU電路。GPRS等通信部分也單獨供電。

4.2 CPU數據采集

CPU的選型可以采用工藝比較穩定的AT89C51，這款CPU在國內流行比較久，抗干擾強。數據采集部分應該考慮信號的防抖動及抗干擾等問題。數據采集還應考慮工地現場掉電的數據實時保存問題。

4.3 鍵盤輸入

鍵盤輸入是標準電路，采用CPU掃描模式識別鍵盤的實際按下具體的某一個鍵。

4.4 顯示

由于系統不是很復雜可以采用LED顯示，也可以采用液晶顯示，在工地很多工作人員更喜歡LED顯示，直觀簡單。液晶顯示太復雜，操作不便。

4.5 強電控制

CPU的I/O口可以通過光電隔離器件保證強電控制部分的地與CPU弱電的地的很好隔離。CPU的I/O口的驅動能力是控制穩定的關鍵，同時考慮CPU復位的間隙CPU的I/O口狀態對強電控制的失控。

4.6 通信電路

通信電路應該考慮GPS位置信息，GPRS通信接口，網絡通信接口。這樣就可以實現設備的云化服務。

5 基于物聯網技術及云與大數據技術的馬歇爾重型擊實儀的軟件設計需求

5.1 重型擊實儀基于AT89C51單片機的軟件設計

（1）軟件必須考慮設備啟動時的控制初始化，避免誤動作；

（2）軟件要考慮系統掉電數據保存功能；

（3）顯示位碼設計成三位，顯示的內容考慮開機時如果讀出的誤碼要初始化為0；動態顯示的掃描時間要大于30貞每秒，否則有不穩定的閃爍；

（4）數據采集時對輸入信號的防抖動軟件處理；

（5）可以與GPS模塊串口通信，可以通過串口與GPRS模塊通信。

5.2 云服務SASS服務軟件的內容

5.2.1 APP軟件

APP軟件可以支持工地工程師、試驗室管理人員、工程施工管理人員、監理單位管理人員、設備廠家維修人員及管理人員、需要數據的第三方等使用，手機APP軟件提供移動辦公的可能，對設備的設置及數據跟蹤查詢都能夠很方便的完成；

5.2.2 客戶端軟件

功能類似APP軟件，可以完成手機APP的功能。

5.2.3 服務器端軟件

通過數據的采集整理，通過大量的計算分析可以提供客戶端及手機APP端的相關服務，真正實現數據共享，數據孤島壁壘打破，極大的節約了資源，提高了效率，數據中心運維人員可以很容易的控制數據的流向及數據服務的對象。

6 總結

現有的馬歇爾重型擊實儀僅僅具備自動制備試件的功能，沒有數據采集傳輸到云的功能，不能夠提供更多的數據共享及提供管理部門相應的管理功能，本文提出的基于物聯網技術及云與大數據技術的馬歇爾重型擊實儀試驗室系統，實現了數據采集，傳輸，存儲計算分析，共享，大數據服務等，能夠實現全實時數據的采集，數據溯源，對設備的工作狀況及提前維修等提供信息服務，是貼合目前公路試驗室數據全生命周期服務的理念。為施工單位，監理單位，廠家及管理機構等，提供非常貼心的服務。是科技改變未來的真實實踐。目前公路試驗室管理還沒有類似的系統，這是交通行業的創新，從簡單的儀器設備系統，折射出交通行業的試驗室管理系統的新需求，本文的提出的物聯網、設備云化及大數據服務應用于公路交通試驗室管理的思維是非常前沿的創新，為試驗過程數字化，數據全生命周期的監控提供實現的方法，能夠為交通公路試驗室管理的跨越式發展提供非常高的參考價值。

參考文獻

[1] 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程料標準規程.中華人民共和國行業標準（JTG E20—2011）T0702-2011瀝青混合料試件制作方法（擊實法），2011.

[2]張陽華.基于云計算的物聯網技術[J].電子技術與軟件工程，2017（17）.

作者介紹

歐陽睿騏，女，15歲，北京市人，北京市海淀區海淀實驗中學高二錢學森班理工科班學生，從小酷愛計算機軟件及單片機硬件相關知識，本文是小作者在學習了解馬歇爾重型擊實儀的時候突發奇想，把現有設備與物聯網及云與大數據技術結合碰撞出創新的火花，靈感乍現寫了這篇文章并在專業老師的指導下準備付諸行動設計相關電路及軟件。

作者單位

海淀實驗學校高二錢學森班 北京市 100089