基于智能顆粒的瀝青路面結構內力感知監測系統設計

于紅艷，潘 芳，王力揚

1.江蘇省交通運輸廳公路事業發展中心，江蘇 南京 210000

2.江蘇東交智控科技有限公司，江蘇 南京 210000

智能顆粒能夠實時監測瀝青面層的溫度、內部受到的正應力、大地坐標下的三維歐拉角、剪應變和高精度三軸加速度，可通過低功耗藍牙技術或其他通信協議與便攜式接收器進行數據傳輸，也可通過遠程控制路邊信號采集器（STRDAL GLOBAL）將數據實時上傳至云端便于用戶實時查詢。

1 系統硬件功能模塊設計

1.1 傳感器模塊

（1）數據模塊：由CPU、三軸耐高溫應力片、三軸加速度傳感器、三軸磁力器和溫度計模塊組成，該模塊可以準確了解瀝青面層的結構內的應力、變形、轉動和振動的情況。

（2）通信模塊：采用低功耗藍牙技術將數據模塊采集到的數據傳送給后臺并接受用戶指令，低功耗藍牙技術采樣率高，傳輸距離較長，功耗低便于航距離、長時間的實時動態監測。

（3）電源模塊：為了承受路面攤鋪過程中的高溫環境，采用耐高溫鋰錳電池，保證傳感器可以長期實時工作。

1.2 遠程控制路邊信號采集器模塊

遠程控制路邊信號采集器（STRDAL GLOBAL）是一款配合Smart Rock用于戶外接收、運算處理、遠程監控和云端大數據接口的數據超級終端，支持多種供電方式，可根據現場情況配置220V電源、110V電源、自帶電源、太陽能供電、風力供電等；支持多種數據傳輸方式，可根據現場情況配置 WLAN、Wi-Fi、3G（CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA）、4G（TD-LTE、FDD-LTE）等。

（1）主運算單元性能參數：MCU四核1900處理器，根據現場情況定制型號，配套M100_6118板SOC板，2G、4G、64G存儲器，含多口USB、COM口、VGA口、MIC口等接口。

（2）供電單元性能參數：可選多種型號的蓄電池，或根據場景配置太陽能風力發電等。

（3）轉換儲存單元：110V、220V、12V等多種單元對主控單元MCU、太陽能、風力發電等進行實時監視轉換，協調控制位系統。

（4）遠程通信單元：根據現場情況配置多種模式，例如 BLE4.0 WLAN、Wi-Fi、3G（CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA）、4G（TD-LTE、FDD-LTE）等，以協調系統可靠性。

2 系統軟件設計

2.1 軟件界面設計

系統軟件界面外觀包含以下主要功能區域。

（1）串口連接：選擇藍牙設備串口進行連接或斷開。

（2）數據顯示：實時顯示設備上報測量數據，包括角加速度、線加速度、磁場強度，同時顯示電池量和監測溫度，還包括3D動畫顯示的設備轉動姿態。

（3）參數配置：設備各種工作參數的配置和讀取，如采樣率、上報數據速率、分辨率，量程、9軸數據選擇上報功能開關等。

（4）實時鐘偏差測量和補償：設備RTC時鐘校準和補償。

（5）工作模式設置：實現設備復位、定時睡眠喚醒及震動喚醒低功耗工作模式。

（6）在線實時數據保存：將設備通過藍牙傳輸上報的實時數據存儲為PC上的數據文件，并計算輸出歐拉角和轉動矩陣數據文件。

（7）離線數據存儲：設置設備將實時數據存儲到外部Flash中，然后主機將設備Flash中保存的數據讀取并保存為數據文件。

2.2 系統軟件數據實時展示

GUI界面中間區域上部分為數據顯示區域，顯示內容包括設備溫度（Show Thermometer Graph）、電池電量（Battery Power）、三軸角速度（Show Gyroscope Graph）、三軸線加速度（Show Accelerometer）、磁場強度（Show Magnetometer）隨時間變化曲線、歐拉角曲線（Show Euler Angle）及3D動畫顯示的設備運動姿態（Show 3D Cuboid）。實時姿態3D顯示界面如圖1所示。

圖1 實時姿態3D顯示界面

3 系統性能驗證

系統設計完成后，需要對系統監測內容進行驗證，確保數據采集的準確性和可靠性。

3.1 耐高溫性能驗證

將傳感器模塊置于瀝青混合料中，并放在烘箱內進行加熱，確保能夠采集到最高溫度的相關數據，目前測定的耐熱溫度為180℃。

3.2 溫度標定功能驗證

將智能顆粒和水銀溫度計置于瀝青混合料中，并放在烘箱內進行加熱，記錄智能顆粒和水銀溫度計的溫度數據，對比兩者采集到的溫度數據，對采集到的智能顆粒的溫度數據進行標定，標定結果表明智能顆粒與水銀溫度計測定溫度相差不大于0.2℃。

3.3 傳感器模塊黏附性驗證

采用水煮法研究智能顆粒與瀝青黏附性能，試驗表明智能顆粒黏附性等級為5級。

3.4 應力測量準確性驗證

采用壓力測試機對智能顆粒應力測量準確性進行測試，測試儀器為UT61B萬用表、XMT808-2壓力測試儀、筆記本電腦，測量結果表明智能顆粒應力測量誤差在5%以下。智能顆粒應力測量誤差如表1所示。

表1 智能顆粒應力測量誤差

4 結束語

文章對智能顆粒軟硬件進行了研究，智能顆粒是針對公路路面受力、變形監測、路用性能預測等需求開發的超小型（19mm）耐高溫（180℃）高精度傳感器，具有良好的變形協調能力（黏附性5級）。智能顆粒能夠實時采集監測參數，包括標準時間、溫度、路面三軸正應力、三軸加速度、歐拉角及四元數，可利用低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy）或其他通信協議傳送數據到便攜式接收器，或遠程控制路邊信號采集器（STRDAL GLOBAL），實時上傳至云端儲存，供用戶隨時查看、下載。