基于窄带物联网的大体积混凝...温度监测系统研发与工程应用_沈志勇.pdf

20231Building Construction190基于窄带物联网的大体积混凝土温度监测系统研发与工程应用沈志勇上海建工集团股份有限公司 上海 200080摘要：对混凝土温度裂缝机理进行研究，结合当前主流无线监测设备特点，提出了大体积混凝土远程无线温度监测设备研发目标。融合应用了窄带物联网技术在传输距离及设备功耗方面的优势，研发了超远距离、超低功耗、超高精度大体积混凝土测温模块；针对施工期间设备易受干扰的特点，设计了数据缓存及电压监控机制；采用配置端与展示端分离的软硬件设计思路，极大提升了系统可靠性及稳定性；开发相应配置端及展示端软件，用户可通过多种终端进行实时数据查看、历史数据查询、报表下载等操作。示范工程成功应用，证明了所研发的设备能够满足大体积混凝土温度监测应用需求。关键词：大体积混凝土；温度监测；窄带物联网；无线监测设备中图分类号：TU17 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0190-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.048Development and Engineering Application of Mass Concrete Temperature Monitoring System Based on Narrowband Internet of ThingsSHEN ZhiyongShanghai Construction Group Co.,Ltd.,Shanghai 200080,ChinaAbstract:Based on the research on the mechanism of concrete temperature cracks and the characteristics of current mainstream wireless monitoring equipment,the research and development goal of mass concrete remote wireless temperature monitoring equipment is proposed.The advantages of narrowband IoT technology in transmission distance and equipment power consumption are integrated and applied,and a mass concrete temperature measurement module with ultra-long distance,ultra-low power consumption and ultra-high precision is developed.In view of the characteristics that the equipment is easy to be disturbed during the construction,the data buffer and voltage monitoring mechanism are designed.The software and hardware design idea of separating the configuration end from the display end has greatly improved the system reliability and stability.Develop corresponding configuration end and display end software.Users can view real-time data,query historical data,download reports and other operations through a variety of terminals.The successful application of the demonstration project proves that the developed equipment can meet the application requirements of mass concrete temperature monitoring.Keywords:mass concrete;temperature monitoring;narrow band internet of things;wireless monitoring equipment图1 大体积混凝土裂缝大体积混凝土温度监控主要有人工与无线2种方式，传统人工监测安装维护困难，人力及设备成本极高，获取数据量较为有限；采用无线方式，由于工程现场的特殊性，存在大量遮挡、干扰、衰减等一系列问题，导致数据质量难以保证，同时现场环境也难以满足稳定多点的供电需求。因此，亟需研发更为稳定、高效、廉价的大体积混随着我国建筑业飞速发展，大体积混凝土应用场景越发广泛1-10，在大体积混凝土浇筑过程中，胶凝材料与水反应释放大量热量，内部温度急剧上升，由于混凝土为热量的不良导体，导致内外温度梯度过大，出现拉应力，产生裂缝，如图1所示。由于，混凝土热量分布对于混凝土浇筑质量有着重要影响，对大体积混凝土温度实时监测是混凝土温度控制的前提，可有效保障高质量施工。基金项目：上海建工集团股份有限公司重点科研项目课题（20YJKF-05）。作者简介：沈志勇（1989），男，硕士，工程师。通信地址：上海市闵行区新骏环路700号（201114）。电子邮箱：收稿日期：2022-11-17数字建造DIGITAL CONSTRUCTION建筑施工第45卷第1期191凝土温度采集设备。1 系统整体架构本文设计了大体积混凝土温度监测系统，包括现场硬件，后台软件及相应操作流程，总体架构如图2所示。通过在PC端对采集模块参数进行配置，采集模块完成现场数据采集之后，通过其内置窄带物联网模块将现场数据发送至后台服务器端口，在服务器完成数据解析之后，将数据存储于服务器端的数据库中，上位机软件根据前端业务逻辑调用数据库数据，通过对PC端软件及小程序端进行系统配置，在PC端及小程序展示端可进行混凝土内部温度变化及历史曲线实时查看。PC端展示小程序配置端小程序展示端PC端配置采集模块采集模块采集模块服务器图2 系统架构示意2 硬件设计2.1 传感器选择本文选用美国DALLAS半导体公司生产的数字式温度传感器DS18B20，该传感器CPU只要采用1根端口线就能实现与多个DS18B20进行通信，由于其占用微处理器端口较少，可减少逻辑电路与大量的引线的使用，大大扩展了传感器网络的应用范围。由于其一线总线的特性，本文所述传感器标准形态为10个传感器并联，在设备现场安装之前通过完成ROM手动设定，使其具备与施工现场匹配的测点编号。2.2 数据传输模块选型窄带物联网被看作是一种基于4.5G的技术，它构建于蜂窝网络，通常只需占用200 kHz的频段，可直接部署于GSM、UMTS、LTE网络，实现平滑升级。该技术具备覆盖能力更强、支持海量连接、终端功耗小、成本低等明显优势，该技术可应用于智能水表、照明、停车、报警、监测、检测、安全传感器、资产等大量应用场景，具备极强的市场潜力。本文所要研发的设备选用中国移动M5310-A窄带物联网无线传输模块，该模块工作频段为Band3、Band5、Band8，其主要应用于低功耗数据传输业务，满足3gpp Release14标准，模块通过降低模块功耗及减少终端不间断工作时间及频率等方法，提高终端设备使用时间，俯视图及管脚分布如图3、图4所示。同时该模块支持高速率通信，内置了LiteOS轻量级开源物联网操作系统、智能硬件平台，用户采用该模块进行终端开发数据安全性、业务智能性、体验流畅性均能得到很好的提高。图3 模块俯视图 图4 管脚分布示意2.3 硬件电路设计如图5所示，采集模块由数据处理器、数据存储器、通信模块、采集接口电路、供电电路、时钟模块等构成，其中数据处理器主要用于计算及逻辑关系处理，数据存储器主要用于存储温度数据，通信模块主要将采集到的数据上传至服务器，供电电路为模块提供电力，时钟电路作为数据处理器的时基。数据处理器采集接口通信模块时钟模块数据存储器供电模块图5 数据采集模块2.4 通信协议设计本设备采用TCP/IP协议进行通信，为了最大程度方便软硬件之间的数据对接，通信协议数据返回值采用明码方式进行设计，设备编号设置9个字节，每台设备采用4通道，每轴设计10个传感器，通道返回值为空时，则采用FFFF字符串进行替代。数据返回值除采集时间及温度数据之外，还包含电池电压、信号强度、所处通道等信息。每台设备设计最大容量为40个温度传感器。2.5 缓存机制及电压监控机制设计考虑到流量卡欠费及项目偏远程度差异情况，存在现场终端与外界基站无法连接的场景，为保障数据完整性，设计了数据缓存机制，在设备无法与外网通信期间，采集数据存放于设备自身缓存中，网络畅通后缓存数据依次进行补发。为了保障设备长期运作效果，电源选用高能量密度的锂亚电池电容模式为设备供电，由于其缓存机制的存在，持续补发数据过程会导致电池电容、电压急剧降低，这就可能带来以下问题：一方面，欠压状态导致传感器及缓存无法正常工作，监测数据可能出现一定波动，反映到用户端则是时程曲线出现大量毛刺，使得数据可行度受到质疑；另一方面，长期无法正常工作电池可能出现钝化现象，导致电池负载欠压或者不工作情况出现。该设备设计了电压监控机制，对电池输出电压进行管理，正常状沈志勇:基于窄带物联网的大体积混凝土温度监测系统研发与工程应用20231Building Construction192态，电压控制机制处于休眠状态，一旦补发机制工作，电压控制机制随即启动，电压接近3.2 V（设备缓存最低工作电压），则设备停止工作，电容充电完成后，设备工作，电压控制机制随即停止。3 软件设计软件设计分为PC端配置软件设计、PC端展示软件设计、小程序控制端软件设计、小程序展示端软件设计4部分。PC端配置软件采用C/S架构，主要功能设定硬件设备ID、工作频率、IP指向、更新设备时间、配置传感器编号等。设备分为低功耗模式和检测模式，低功耗模式：设备上报数据后将进入休眠，等待下次上报时间，设备将自动唤醒上报数据；检测模式：设备上报数据后将不会进入休眠，在此种模式下，设备耗电速度较快。该软件还可广泛应用于现场的调试及后期维护工作。同时，用户不仅可以完成对于设备ID、指向、频率、状态等功能的配置，还可以应用DS18B20温度传感器编号的功能，通过手握法对每个传感器进行编码。大体积混凝土PC端展示软件基于B/S架构，采用Java、HTML、JSP等语言开发。多项目多用户设计，该软件用户可完成数据查询及下载等功能，由于该软件布设的服务器性能较好，系统运算工作均由该服务器完成。该软件同时加入成熟度理论，可根据温度变化，对不同规格混凝土进行成熟度的评估及预测。小程序控制端采用低代码方式进行编写，管理人员可在控制端进行项目及人员创建以及相应权限的灵活配置，可实现设备灵活添加以及项目设备的灵活绑定，同时可实现对于项目、人员、设备的姿态管理及操作记录。小程序展示端用户界面如图6所示，采用低代码方式进行编写，主要目的是提升用户体验，使得用户通过手机端可实时了解现场各个设备工作状态，以及不同测点的实时温度数据及历史温度曲线，在主页面以九宫格形式显示各个测温轴的数据姿态及该测温设备的工作姿态，并通过颜色变化进行预警报警，小程序采用多种优化算法，使得大量高频数据可在终端进行流畅显示。在数据分析页面，小程序可做到对数据进行实时分析，主要分析指标由当前最高温度、历史最高温度、最高温升、表里温差、表面与大气温差等各个温度监控指标，并与规范值进行比较给出判定姿态。4 工程应用4.1 项目简介北横通道新建工程标段梧州