一種大范圍澆筑混凝土水熱化超遠程數字化監測系統的設計與應用

鐘偉雄 張建忠 陳利昕 江凡

摘要：本文設計開發了一種利用超遠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網的終端電腦觀察的檢測系統，該系統已成功應用于永泰某工程基礎大體積混凝土水熱化檢測。

關鍵詞：大范圍；水熱化；超遠程

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0125-02

隨著我國城鎮化進程的逐步加快，越來越多的城市出現了高樓層建筑、城市立交橋、跨江大橋等大型建筑。而這些大型建筑的建設，勢必要大范圍的混凝土澆筑。根據熱力學原理，水泥內部的散熱要比外部慢的多。根據物體的熱效應關系可以知道，在當水泥表面溫度下降超過內部太多的時候會造成內部和表面的大筆數溫差。而由于混凝土澆筑又是分時分段進行的，在不同時間澆筑的混凝土水熱化和溫度也不一樣，在表面就容易產生對內部的一種拉力。而如果拉力太大，就會給整個大范圍的混凝土塊造成裂縫。這是一種對大型建筑極為不利的現象，會導致后期建設的建筑牢固性和抗外力性下降許多，甚至會出現樓梯傾倒事故，釀成不可挽回的后果。為了了解大范圍的混凝土澆筑內部水熱化過程中的溫度傳導情況，同時掌握外界天氣，比如下雨天，晴天等對水泥的影響下混凝土的水熱化進程。本文設計了一種大范圍的混凝土澆筑水熱化超遠程監測系統，該系統已成功應用于永泰某工程基礎大體積混凝土水熱化檢測，現就該系統的設計過程做一下闡述。

1 監測系統的總體設計構成

依據國家規范性文件《混凝土結構工程施工規范》（GB50666-2011）。本文設計一種可用于水熱化監測的無線建筑電子水熱化監測系統。該系統采用高精度溫度傳感器，可直觀、準確地顯示被水熱化監測度，可靠性好、使用范圍廣、操作簡單；同時溫度自動采集并通過網絡傳輸，設備安裝后直至水熱化監測結束無需人工干預，方便快捷。這就彌補了常規的人工現場采集的缺陷。在工地復雜的環境下，人工采集的方法時間間隔太久，往往會錯過采集的時間，無法實時準確的獲取到現成的溫度情況。

鑒于該情況，本文設計一種采用超遠程無線通信的方式對混凝土的水熱化溫度進行定時采集并通過GPRS終端將采集的數據批量發送到公司總部的接收服務器。如圖1所示，系統采用ZIGBEE模塊利用單總線技術在一根數據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發送給ZIGBEE路由網關（接收模塊），ZIGBEE路由網關接收到各個發送模塊（節點）發送過來的數據后，以串行通信的方式發送到STM32信號轉換模塊，STM32信號轉換模塊將收到的溫度數據編輯后控制GPRS模塊將該批次溫度采集的數據發送到網云，目標為公司總部的域名為http：// fjgdyt.vicp.io，數據寫入端口為18269[1-2]。

2 監測系統的硬件模塊設計

為方便理解，本文對監測系統各部分關鍵硬件進行分析[3-4]。

2.1 多路單總線溫度采集模塊設計

如圖2所示，檢測系統的最底層硬件為多路單總線溫度采集模塊。為了能夠持續工作長時間，系統各個模塊均采用大容量12V鋰電池供電。針對ZIGBEE模塊供電特點，必須給定一個5V的供電電源。因此需要在ZIGBEE模塊與鋰電池之間加一個電源降壓模塊，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，其余電路部分繼續使用5V供電并共用一個地。考慮到ZIGBEE長時間工作的特性，為了讓該部分模塊工作更長一些，系統采用了延時繼電器對ZIGBEE模塊的工作時間做限制，使得ZIGBEE模塊上電時間短（夠發送數據即可），斷電時間長。這樣，在符合用戶方數據采集要求的同時能更好地節省電源的消耗。

2.2 數據中心模塊設計

系統的關鍵部分，數據中心的設計框圖如圖3所示。由于需要長時間對系統供電，數據中心選用12V大容量鋰電池作為電源，經過延時繼電器后，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無線自組網模塊和GPRS無線數據發送模塊使用。ZIGBEE無線自組網模塊串口與STM32信號轉換模塊串口1之間采用串行通信方式進行連接，STM32信號轉換模塊串口2與GPRS無線數據發送模塊采用串行通信方式連接。

3 監測系統的軟件程序設計

為方便理解，本文對監測系統各部分關鍵軟件程序進行分析[5]。

3.1 多路單總線溫度采集程序流程設計

如圖4所示，本程序采用輪詢的方式對并聯在ZIGBEE板子上同一個IO接口的8個DS18B20溫度傳感器ROM光刻序列號值進行預先采集并做了8個編號。當系統上電的時候8個DS18B20溫度傳感器同時采集到各自相應的溫度值。此時，由于8個傳感器只接在同一個IO接口，故必須采用串行讀取的方式進行分別采集。程序利用溫度傳感器自身的ROM值不同進行編號，做出1-8的傳感器編號。同時，在程序開始后，進入循環體時按照ROM值從小到大的順序進行甄別并采集相應的溫度值，采集到的溫度值發送到ZIGBEE板子的串口和無線自主網網關。

3.2 數據中心模塊程序流程設計

如圖5所示，當數據中心的前端ZIGBEE模塊收到各個節點發來的各路溫度數據后，根據數據的標識一一轉發至STM32控制板串口1處。STM32芯片啟動后由系統進行時鐘設置和通信波特率初始化為115200，同時進行延時、USMART、與LED連接的硬件接口、按鍵、LCD、存儲芯片、SD卡等的初始化工作。在掛載SD卡之后進行接收串口1數據掃描，當系統接收到由ZIGBEE傳來的帶標記的溫度數據之后將數據暫時存放于內存緩存當中。系統利用AT指令啟動并初始化GPRS模塊，程序攜帶緩存數據進入SIM800C中斷服務程序，進入中斷后將緩存中的數據發送至串口3。當判斷到GPRS與遠端域名服務器建立TCP連接之后即可啟動心跳數據發送程序。同時為了檢驗數據發送是否成功，在發送數據的同時請求遠端服務器返回一個接收指令，并將接收到的指令發送到串口1以便觀察。

4 監測系統成品

檢測系統的最終成品如圖6和圖7所示，圖6為系統的無線數據控制和發送中心、圖7為系統的6個節點和數據中心。

5 結語

該系統已成功應用于永泰某工程基礎大體積混凝土水熱化檢測，效果良好，如表1所示，本系統對各個監測節點點位的數據采集達到百分百覆蓋。同時可以反映該大廈的混凝土水熱化的溫度變化過程，從而節省了非常大量的人力物力。

參考文獻

[1]林鵬，李慶斌，周紹武，胡昱.大體積混凝土通水冷卻智能溫度控制方法與系統[J].水利學報，2018，（8）：950-957.

[2]李潘武，曾憲哲，李博淵，逯躍林.澆筑溫度對大體積混凝土溫度應力的影響[J].長安大學學報（自然科學版），2011，（5）：68-71.

[3]張君，祁錕，侯東偉.基于絕熱溫升試驗的早齡期混凝土溫度場的計算[J].工程力學，2009，（8）：155-160.

[4]王慶剛，張晉.基于單片機的機房溫度預警系統的設計和實現[J].數字技術與應用，2018，（3）：3-4.

[5]劉璋.STM32單片機在室內環境監測系統中的運用研究[J].數字技術與應用，2016，（2）：20-20.