一種大范圍澆筑混凝土水熱化超遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鐘偉雄 張建忠 陳利昕 江凡

摘要：本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種利用超遠(yuǎn)程無線傳輸采集混凝土溫度，可在公司總部以及任意可接入互聯(lián)網(wǎng)的終端電腦觀察的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于永泰某工程基礎(chǔ)大體積混凝土水熱化檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：大范圍；水熱化；超遠(yuǎn)程

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）08-0125-02

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的逐步加快，越來越多的城市出現(xiàn)了高樓層建筑、城市立交橋、跨江大橋等大型建筑。而這些大型建筑的建設(shè)，勢(shì)必要大范圍的混凝土澆筑。根據(jù)熱力學(xué)原理，水泥內(nèi)部的散熱要比外部慢的多。根據(jù)物體的熱效應(yīng)關(guān)系可以知道，在當(dāng)水泥表面溫度下降超過內(nèi)部太多的時(shí)候會(huì)造成內(nèi)部和表面的大筆數(shù)溫差。而由于混凝土澆筑又是分時(shí)分段進(jìn)行的，在不同時(shí)間澆筑的混凝土水熱化和溫度也不一樣，在表面就容易產(chǎn)生對(duì)內(nèi)部的一種拉力。而如果拉力太大，就會(huì)給整個(gè)大范圍的混凝土塊造成裂縫。這是一種對(duì)大型建筑極為不利的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致后期建設(shè)的建筑牢固性和抗外力性下降許多，甚至?xí)霈F(xiàn)樓梯傾倒事故，釀成不可挽回的后果。為了了解大范圍的混凝土澆筑內(nèi)部水熱化過程中的溫度傳導(dǎo)情況，同時(shí)掌握外界天氣，比如下雨天，晴天等對(duì)水泥的影響下混凝土的水熱化進(jìn)程。本文設(shè)計(jì)了一種大范圍的混凝土澆筑水熱化超遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于永泰某工程基礎(chǔ)大體積混凝土水熱化檢測(cè)，現(xiàn)就該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程做一下闡述。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)成

依據(jù)國(guó)家規(guī)范性文件《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666-2011）。本文設(shè)計(jì)一種可用于水熱化監(jiān)測(cè)的無線建筑電子水熱化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高精度溫度傳感器，可直觀、準(zhǔn)確地顯示被水熱化監(jiān)測(cè)度，可靠性好、使用范圍廣、操作簡(jiǎn)單；同時(shí)溫度自動(dòng)采集并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，設(shè)備安裝后直至水熱化監(jiān)測(cè)結(jié)束無需人工干預(yù)，方便快捷。這就彌補(bǔ)了常規(guī)的人工現(xiàn)場(chǎng)采集的缺陷。在工地復(fù)雜的環(huán)境下，人工采集的方法時(shí)間間隔太久，往往會(huì)錯(cuò)過采集的時(shí)間，無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲取到現(xiàn)成的溫度情況。

鑒于該情況，本文設(shè)計(jì)一種采用超遠(yuǎn)程無線通信的方式對(duì)混凝土的水熱化溫度進(jìn)行定時(shí)采集并通過GPRS終端將采集的數(shù)據(jù)批量發(fā)送到公司總部的接收服務(wù)器。如圖1所示，系統(tǒng)采用ZIGBEE模塊利用單總線技術(shù)在一根數(shù)據(jù)線上采集多路溫度信息，獲取的溫度信息以串行的方式通過無線短距離自組網(wǎng)發(fā)送給ZIGBEE路由網(wǎng)關(guān)（接收模塊），ZIGBEE路由網(wǎng)關(guān)接收到各個(gè)發(fā)送模塊（節(jié)點(diǎn)）發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，以串行通信的方式發(fā)送到STM32信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，STM32信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將收到的溫度數(shù)據(jù)編輯后控制GPRS模塊將該批次溫度采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)云，目標(biāo)為公司總部的域名為http：// fjgdyt.vicp.io，數(shù)據(jù)寫入端口為18269[1-2]。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)

為方便理解，本文對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分關(guān)鍵硬件進(jìn)行分析[3-4]。

2.1 多路單總線溫度采集模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，檢測(cè)系統(tǒng)的最底層硬件為多路單總線溫度采集模塊。為了能夠持續(xù)工作長(zhǎng)時(shí)間，系統(tǒng)各個(gè)模塊均采用大容量12V鋰電池供電。針對(duì)ZIGBEE模塊供電特點(diǎn)，必須給定一個(gè)5V的供電電源。因此需要在ZIGBEE模塊與鋰電池之間加一個(gè)電源降壓模塊，將12V降到5V之后供給ZIGBEE模塊。利用自帶的AMS-1117芯片將5V降到3.3V給ZIGBEE芯片供電，其余電路部分繼續(xù)使用5V供電并共用一個(gè)地。考慮到ZIGBEE長(zhǎng)時(shí)間工作的特性，為了讓該部分模塊工作更長(zhǎng)一些，系統(tǒng)采用了延時(shí)繼電器對(duì)ZIGBEE模塊的工作時(shí)間做限制，使得ZIGBEE模塊上電時(shí)間短（夠發(fā)送數(shù)據(jù)即可），斷電時(shí)間長(zhǎng)。這樣，在符合用戶方數(shù)據(jù)采集要求的同時(shí)能更好地節(jié)省電源的消耗。

2.2 數(shù)據(jù)中心模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。由于需要長(zhǎng)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)供電，數(shù)據(jù)中心選用12V大容量鋰電池作為電源，經(jīng)過延時(shí)繼電器后，連接到電源降壓模塊，把電壓降到5V供給STM32的控制核心板、ZIGBEE無線自組網(wǎng)模塊和GPRS無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊使用。ZIGBEE無線自組網(wǎng)模塊串口與STM32信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊串口1之間采用串行通信方式進(jìn)行連接，STM32信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊串口2與GPRS無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊采用串行通信方式連接。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)

為方便理解，本文對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分關(guān)鍵軟件程序進(jìn)行分析[5]。

3.1 多路單總線溫度采集程序流程設(shè)計(jì)

如圖4所示，本程序采用輪詢的方式對(duì)并聯(lián)在ZIGBEE板子上同一個(gè)IO接口的8個(gè)DS18B20溫度傳感器ROM光刻序列號(hào)值進(jìn)行預(yù)先采集并做了8個(gè)編號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)上電的時(shí)候8個(gè)DS18B20溫度傳感器同時(shí)采集到各自相應(yīng)的溫度值。此時(shí)，由于8個(gè)傳感器只接在同一個(gè)IO接口，故必須采用串行讀取的方式進(jìn)行分別采集。程序利用溫度傳感器自身的ROM值不同進(jìn)行編號(hào)，做出1-8的傳感器編號(hào)。同時(shí)，在程序開始后，進(jìn)入循環(huán)體時(shí)按照ROM值從小到大的順序進(jìn)行甄別并采集相應(yīng)的溫度值，采集到的溫度值發(fā)送到ZIGBEE板子的串口和無線自主網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

3.2 數(shù)據(jù)中心模塊程序流程設(shè)計(jì)

如圖5所示，當(dāng)數(shù)據(jù)中心的前端ZIGBEE模塊收到各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的各路溫度數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)一一轉(zhuǎn)發(fā)至STM32控制板串口1處。STM32芯片啟動(dòng)后由系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)置和通信波特率初始化為115200，同時(shí)進(jìn)行延時(shí)、USMART、與LED連接的硬件接口、按鍵、LCD、存儲(chǔ)芯片、SD卡等的初始化工作。在掛載SD卡之后進(jìn)行接收串口1數(shù)據(jù)掃描，當(dāng)系統(tǒng)接收到由ZIGBEE傳來的帶標(biāo)記的溫度數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)暫時(shí)存放于內(nèi)存緩存當(dāng)中。系統(tǒng)利用AT指令啟動(dòng)并初始化GPRS模塊，程序攜帶緩存數(shù)據(jù)進(jìn)入SIM800C中斷服務(wù)程序，進(jìn)入中斷后將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送至串口3。當(dāng)判斷到GPRS與遠(yuǎn)端域名服務(wù)器建立TCP連接之后即可啟動(dòng)心跳數(shù)據(jù)發(fā)送程序。同時(shí)為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)請(qǐng)求遠(yuǎn)端服務(wù)器返回一個(gè)接收指令，并將接收到的指令發(fā)送到串口1以便觀察。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成品

檢測(cè)系統(tǒng)的最終成品如圖6和圖7所示，圖6為系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)控制和發(fā)送中心、圖7為系統(tǒng)的6個(gè)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于永泰某工程基礎(chǔ)大體積混凝土水熱化檢測(cè)，效果良好，如表1所示，本系統(tǒng)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)采集達(dá)到百分百覆蓋。同時(shí)可以反映該大廈的混凝土水熱化的溫度變化過程，從而節(jié)省了非常大量的人力物力。

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