梁旭 王紅

摘要：混凝土是現代建筑業重要的建筑材料。隨著建筑增多，混凝土的需求量也日漸增大，如何精準的監控混凝土的流量就成為了亟待解決的問題。在混凝土的流量監控中，需要構建無線傳感網絡，基于ZigBee技術實現監測數據的傳遞。本文主要闡述了混凝土流量監控系統的系統結構和系統中采用的通信技術。

關鍵詞：ZigBee；電磁流量計；混凝土；流量監控

1引言

生產預制混凝土構件的公司在澆筑模型時需要對所用的混凝土量進行監測，但檢測設備的價格較高，所以中小型的公司仍然主要通過管道直徑及水泵送出壓力值計算混凝土的流量。此方法精度低仍需大量員工現場操作。該項目在了解各類傳感器特點的基礎上，研究混凝土構成及特點，設計用于檢測混凝土流量的傳感器系統，可實現對所出混凝土量及剩余混凝土量的計算，對提高生產預制混凝土構件公司的生產效率及降低產品成本有積極的意義。

2混凝土概述

2.1混凝土

混凝土，簡稱為“砼”，是指由膠凝材料將骨料膠結成整體的工程復合材料的統稱。通常講的混凝土一詞是指用水泥作膠凝材料，砂、石作骨料，與水（可含外加劑和摻合料）按一定比例配合，經攪拌而得的水泥混凝土，也稱普通混凝土，它廣泛應用于土木工程。

2.2常用混凝土配比及相關參數

混凝土配合比是指混凝土中各組成材料之間的比例關系。混凝土配合比通常用每立方米混凝土中各種材料的質量來表示，或以各種材料用料量的比例表示（水泥的質量為1）。

設計混凝土配合比的基本要求：

（1）滿足混凝土設計的強度等級。

（2）滿足施工要求的混凝土和易性。

（3）滿足混凝土使用要求的耐久性。

（4）滿足上述條件下做到節約水泥和降低混凝土成本。

從表面上看，混凝土配合比計算只是水泥、砂子、石子、水這四種組成材料的用量。實質上是根據組成材料的情況，確定滿足上述四項基本要求的三大參數：水灰比、單位用水量和砂率。

混凝土按強度分成若干強度等級，混凝土的強度等級是按立方體抗壓強度標準值劃分的。立方體抗壓強度標準值是立方抗壓強度總體分布中的一個值，強度低于該值的百分率不超過5%，即有95%的保證率。混凝土的強度分為C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60等十二個等級。

混凝土配合比是指混凝土中各組成材料（水泥、水、砂、石）之間的比例關系。有兩種表示方法：一種是以1立方米混凝土中各種材料用量；另一種是用單位質量的水泥與各種材料用量的比值及混凝土的水灰比來表示。例如：

3系統設計

3.1系統結構

混凝土流量監控系統主要由數據采集設備、數據處理中心和數據查看終端構成。為精確、實時測量混凝土流量，本系統采用電磁流量計進行混凝土流量的監測，配合微處理器進行數據的處理和發送。電磁流量計可將混凝土的流量轉換為電壓信號，再經過激勵線圈產生感應電勢，感應電勢被送到轉換器進行信號的處理。經過處理的信號通過微處理器的收發模塊，利用ZigBee技術發送到本地服務器，進行數據的實時處理和分析。本地服務器主要任務是通過混凝土攪拌車流量數據計算車內剩余混凝土體積和剩余出料時間，結合工程本階段所需混凝土數量對混凝土運輸車輛進行合理調配。現場施工人員可以通過手機電腦等終端設備查看實時數據，及時安排工作，節省施工時間，保證項目及時完工。下圖1是混凝土流量監控系統的系統結構圖如圖1所示：

2.2微處理器

微處理器選用Chipcon公司出品的CC2430。CC2430由CC2420芯片升級而來。CC2420是其早期出品的一款硬件射頻無線電芯片，硬件上使用針對2.4GHzIEEE802.15.4標準設計的RF收發器，在業界是較為領先的。該收發器可配合其它芯片廠商生產的微處理進行搭建系統，構建無線模塊，因為其專門為符合IEEE802.15.4標準設計的芯片，所以功能上區別于其他類型的無線收發器。CC2430這款芯片包含了一顆8051內核、CC2420無線電內核，及相關功能部件，是一個新型的無線傳感器網絡應用硬件方案。其減少了一個微處理器芯片，同時增加了集成度和可靠性，集成了必然降低整體功耗。

2.3ZigBee技術

ZigBee技術是一種在IEEE802.15.4標準上經過改進和發展得到常用的無線網絡標準技術。主要選用在低功耗，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長；低成本，每塊芯片的價格大約為2美元；短時延，ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10s、WiFi需要3s；高容量，ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網；免執照頻段，使用工業科學醫療（ISM）頻段，915MHz（美國），868MHz（歐洲），2.4GHz（全球）。

3 總結與展望

該系統利用無線傳感器節點和無線通信技術，可以實現精確實時的監測混凝土攪拌車的出料情況，從而計算出剩余混凝土的體積和出料時間，為施工人員提供了便利，同時能夠節省工程成本，合理安排施工時間。因施工現場情況復雜，干擾因素較多，會出現系統不穩定的情況，這一問題將會在日后的研究中進行改進，希望本系統能夠真正應用于生產生活中，為施工帶來便利。

參考文獻：

[1]張昊.低功耗電池供電的電磁流量計研究與設計[D].天津大學，2016.

[2]沙永健.無線傳感器網絡在溫室監測系統中的應用[D].東華大學，2015.

[3]和亮."沖量式固體流量計的計量監控及波動原因."水泥工程 1（2017）：72-73..

作者簡介：梁旭，山東協和學院計算機學院2015級學生，物聯網工程專業

*項目基金：2017年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目名稱：混凝土流量監控系統的設計，項目編號：201713324082）