基于GPRS的預制梁噴淋養生自動控制系統

王海英+梁鵬+邱喜華+阮祺+呂東源

摘 要：針對傳統預制梁噴淋養生存在質量監測和控制的問題，結合單片機技術、GPRS無線通信技術以及傳感器技術，設計了基于單片機、GPRS無線網絡的預制梁噴淋養生自動控制系統。該系統能夠實現預制梁噴淋作業的自動控制，并利用互聯網技術和網絡數據庫技術將監控中心的數據發布到廣域網，使工作人員可以通過Web瀏覽器或客戶端對預制梁的養生情況進行遠程監控和調度指揮。

關鍵詞：自動噴淋養生；預制梁；GPRS無線網絡；監控系統

中圖分類號：U445.47 文獻標志碼：B

Automatic Spraying System for Curing of Precast Beams Based on GPRS

WANG Haiying， LIANG Peng， QIU Xihua， RUAN Qi， LU Dongyuan

（Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China）

Abstract： In view of the fact that it is hard to monitor and control the quality of precast beams curing in traditional way， an automatic spraying system for the curing of precast beams was design based on SCM and GPRS wireless network. The system enables the automatic control over the spraying， and distributes data achieved from the monitoring center to WAN via Internet and network database technology. As a result， the technicians can conduct the remote monitoring of the curing of precast beams with the Web browsers and clients.

Key words： automatic spraying； precast beam； GPRS wireless network； monitoring system

0 引 言

預制梁是高速公路和鐵路的重要組成部分，在交通建設中被大量使用，目前中國鐵路和公路預制梁噴淋的養護方式主要是靠人工操作完成，勞動力投入相對較大[14]。 操作過程中由于養護工人的工作態度和質量意識不強，常常出現漏養現象，使預制梁翼板易產生裂紋，形成質量通病；且人工操作會不可避免地出現疏忽和數據記錄不全等缺點，導致預制梁噴淋養生的養護不到位，人工記錄數據的成本又比較高，增加了項目建設的成本[57]。

為了解決目前存在的問題，本文開發了基于GPRS無線數據通信的預制梁噴淋養生自動控制系統。通過現場安裝的STM32和TFTLCD觸摸屏對水泵和電磁閥進行控制和監測，實現噴淋養生的自動控制，避免人工養生帶來的高額費用和較大誤差。通過GPRS無線數據通信將現場采集的噴淋信息傳送到中心數據庫，管理人員可以遠程觀察到各個梁場的噴淋情況，并進行相應的遠程操作，實現預制梁噴淋養生的遠程監測和控制。

1 系統總體方案設計

自動控制系統主要是由噴淋養生現場自動控制子系統、GPRS數據遠程傳輸子系統、數據采集和管理子系統3部分組成，系統的網絡拓撲如圖1所示。

各個梁場的噴淋養生信息通過GPRS無線網絡傳輸到監控中心，管理處具有最高權限，可以查詢和監控各個合同段梁場的養護信息，合同段可以根據各自的權限通過客戶端或Web瀏覽器對梁場的噴淋養生信息進行監測和控制，從而實現了梁場的標準化和精細化管理[89]。

2 現場自動控制子系統硬件設計

預制梁噴淋養生的現場自動控制子系統是整個系統的核心部分，由微處理器、人機模塊、傳感器輸入、執行器輸出、通信模塊5部分組成，如圖2所示。

微處理器采用STM32F103x8型號單片機作為自動控制系統的核心，其既可以與LCD觸摸屏聯機工作，也可以獨立按設定的工況工作。通過微處理器可以在計算機終端或LCD觸摸屏設定噴淋時間、循環間隔時間、梁的型號，選擇需要養護的臺座，同時顯示實時工作狀態，對電磁閥和水泵進行控制，實現預制梁噴淋養生的自動控制。

人機模塊的主控元件為LCD觸摸屏和手動按鍵。LCD觸摸屏既可以設置系統工作狀態，還可以監控系統的運行狀況。當LCD觸摸屏出現故障時，也可以選擇手動控制模式。這種雙模式的設計有效地保證了系統運行的可靠和安全[10]。

溫濕度傳感器是現場自動控制系統的重要組成部分，它們的信號輸入端和輸出端與STM單片機相接。采用電磁繼電器作為執行器輸出的控制元件，以ULN2803反向驅動器對繼電器進行驅動，通過控制電磁閥來實現水泵的開閉。

現場用到的無線網絡通信方式有GPRS、WIFI、藍牙等，它們都可以對系統進行控制。本自動噴淋養生系統采用GPRSDTU的通信模塊，STM32單片機與GPRSDTU進行數據交互，將數據以數據包的形式打包發送到遠端的中心數據庫，通過數據管理系統供施工質量監理人員查看，同時管理人員也可以通過GPRSDTU向現場下發命令。設計的通信模塊的電路連接原理如圖3所示。

3 現場自動控制子系統軟件設計

噴淋養生自動控制系統的軟件層面主要是由傳感器輸入信號轉換模塊、GPRS無線通信模塊、LCD觸摸屏模塊和噴淋控制模塊構成。每一個模塊的控制流程和控制方法都不相同，因此要根據系統所選用的硬件和現場的實際情況編寫相應的程序。自動噴淋養生控制系統的工作流程圖如圖4所示。

在噴淋養生控制過程中，控制程序先從溫濕度一體傳感器中讀取現場的溫度和濕度；控制程序會將溫度和濕度數值代入混凝土最佳含水量的經驗公式和混凝土含水量蒸發速率公式，推算噴淋所需的水量；通過管路的流量和壓力等信息計算噴淋的時長，使繼電器對電磁閥進行操作。當控制系統計算出某一時間段內的水分蒸發速率使預制梁達到了最佳含水量下限的時候，自動打開繼電器開始噴淋，噴淋時間滿足計算的時長后關閉電磁閥。繼電器開啟和關閉的時間將暫存于單片機存儲單元中，調用通信模塊將數據傳輸到數據服務器。

在控制系統中，根據混凝土最佳含水量經驗公式（1）計算出實時的噴淋面所需的最佳噴水量，從而由混凝土含水量蒸發速率公式（2）計算得出該噴水情況下的蒸發速率，再根據這2項與溫度和濕度相關的參數折算出電磁閥開啟的時間。

式中：W為加權的最佳含水量；WS為標準養生情況下的最佳含水量；φ為實時相對濕度；t為實時溫度；E為噴水時的蒸發速率；Tc為混凝的土溫度；Ta為氣溫；r為相對濕度；V為風速。

4 GPRS數據遠程傳輸子系統設計

現場無線傳輸模塊包括WIFIDTU傳輸和GPRSDTU傳輸2部分。WIFIDTU傳輸主要是解決現場人員用便攜式設備對噴淋控制箱進行遠程控制；GPRSDTU傳輸模塊將噴淋信息傳送到中心數據庫，便于管理處和合同段的工作人員對梁場進行遠程控制。

本系統中的GPRSDTU模塊選擇宏電H7710工業級DTU，該模塊的RS485串行數據接口與STM32的串口連接。GPRS與監控中心通信過程如下：將DTU模塊連接在電腦上，在GPRSDTU中寫入監控中心靜態IP端口號、協議方式、通訊參數以及SIM卡號；當現場安裝的GPRSDTU通電后，從模塊內部Flash中讀取配置參數，就可以進行GPRSPPP撥號獲得一個內網的IP地址；GPRSDTU通過移動網關向數據中心發起TCP請求，當數據鏈路建立成功后，便實現了數據的雙向通信；中心數據庫根據所識別的身份信息將命令發送給DTU，DTU將接收到的TCP/IP協議包進行解析并通過RS485接口傳輸給STM32，STM32根據接收的命令對設備進行相應的控制；當STM32將噴淋信息反饋回GPRSDTU后，GPRSDTU把串口數據轉換成TCP/IP協議包數據發送到GPRS網絡上，這樣噴淋養生信息就通Internet發送到監控中心IP網絡服務器中，再通過端口映射將數據發送到計算機客戶端；在聯網的電腦上可以下達相應命令，該命令通過虛擬轉發軟件將串口數據轉換為網絡數據包下傳到DTU中，DTU經過對數據包的解析，完成對STM32控制命令的下達。GPRSDTU與監控中心通訊過程如圖5所示。

GPRS無線網絡作為中心服務器，是各個預制梁場控制系統之間數據傳送的媒介。監控中心通過GPRSDTU實現對各預制梁場設備的運行情況進行監測，也可以通過GPRSDTU對STM32下達命令，這種模式有效地實現了預制梁的自動化控制和標準化管理。

5 數據采集和管理子系統設計

施工現場數據的接收與遠程控制等操作主要是由管理系統軟件來完成。目前的軟件架構有B/S和C/S兩種，2種架構在上位機軟件系統的搭建、運行以及維護過程中具有不同的特點。本系統采用B/S網絡架構，數據采集和管理軟件以Microsoft Visual Studio 2008為平臺，通過軟件開發商提供的ADO、DATASET等VCL組件，對中心數據庫進行訪問。其主要任務是實現對各個標段的梁場設備運行監控，數據的采集、存儲、分析，歷史數據的查詢以及提取需要的生產報表、網頁發布等。在管理處和合同段的計算機客戶端的瀏覽器輸入制定的網址，就可以進行噴淋養生系統的登錄和相關操作。Web服務器為中間平臺，能夠實現各項命令與后臺服務器的實時交互操作；收到的信息被后臺數據庫解碼轉換，然后數據服務器將處理結果反饋回Web服務器端，最后數據結果將以網頁的形式呈現在用戶面前。圖6為B/S架構的三層服務結構圖。

數據采集和管理軟件的具體功能如下。

（1）在線監控。配合現場監控圖像，實時對預制梁場的工作情況進行輔助管理，可以在控制中心對現場輸入的預制梁場信息和預制梁信息進行編輯與修改，保證每一個預制梁號的唯一性；當現場人為疏忽導致養生沒有及時開始的情況時，后臺人員可以與現場人員及時溝通或遠程啟動相應的操作。

（2）顯示報表。顯示預制梁進入養生階段的開始時間，并記錄養生階段的實時環境溫度、濕度、相應的噴淋時間和此時刻的含水量，以確保養生的預制梁處于最佳養生狀態，如圖7所示。

（3）合理調度。能實時并且直觀的顯示處于養生階段預制梁的信息、預制梁臺座的使用情況，從而協助生產調度人員合理規劃和安排噴淋養生作業臺座資源的使用。

（4）歷史查詢和統計。對噴淋的歷史數據進行查詢，查詢的歷史數據會以柱狀圖的形式顯示，這樣有助于質量監理人員對已經生產完成的預制梁進行數據統計和分析。

（5）報警功能。一旦發現某個梁場的噴淋參數設置錯誤或者設備出現故障，組態軟件會向相關的值班人員發送相應的報警信息，必要時可以發送命令遠程中止梁場噴淋系統的運行。

6 結 語

本文采用了傳感器、GPRS無線通信和單片機等多種技術，設計了預制梁噴淋養生的自動控制系統，以STM32單片機為核心的微處理器實現對梁場的噴淋信息進行自動控制。通過GPRS無線通信技術將現場和后臺有機的結合，后臺服務器將噴淋數據信息直觀地展現；用戶通過客戶端或網頁可以對預制梁噴淋進行有效的管理，從而有效地保證了預制梁的質量。

預制梁噴淋養生自動控制系統利用現代化物聯網技術思想，把現場實時控制與遠程監控結合為一體，實現了預制梁噴淋養生的自動化控制，保證了歷史數據的真實可靠，對公路和鐵路的安全運營有重大的現實意義。

參考文獻：

[1] 張艷娟，周德棟.淺談橋梁預應力混凝土預制梁施工[J].江西水利科技，2008（S1）：4546.

[2] 劉寶忠，孫小彬.基于自動控制滴灌技術的混凝土預制梁養生系統研究[J].公路交通科技：應用技術版，2013（5）：170172.

[3] 王 鍇.預制梁場自動噴淋養生系統設計[D].西安：長安大學，2015.

[4] 崔德勝.公路橋梁工程預制梁施工管理的探討實踐[D].西安：長安大學，2011.

[5] 郝迎吉，曾 定，王海英，等.預制梁場噴淋養生監控系統的設計及應用[J].自動化與儀表，2014（5）：4547.

[6] 郝迎吉，曾 慶，王海英，等.預制梁噴淋養生質量監控管理系統[J].自動化與儀表，2015（3）：5759.

[7] 茅衛東.工程項目施工過程質量控制的研究[D].南京：南京理工大學，2003.

[8] 周長勇，張曉冬.激光治療儀中的觸摸屏接口設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2004（4）：5758.

[9] 朱明清，田 民，張遷禮，等.基于PLC、GPRS 網絡和組態軟件的城市熱網監控系統的設計與實現[J].自動化技術與應用，2008（5）：107111.

[10] 左相飛，龐洪剛，向 鵬.自動噴淋養生在預制梁養護中的實際應用[J].重慶建筑，2015（9）：4345.

[責任編輯：杜敏浩]