一种大范围浇筑混凝土水热化超远程数字化监测系统的设计与应用

钟伟雄 张建忠 陈利昕 江凡

摘要：本文设计开发了一种利用超远程无线传输采集混凝土温度，可在公司总部以及任意可接入互联网的终端电脑观察的检测系统，该系统已成功应用于永泰某工程基础大体积混凝土水热化检测。

关键词：大范围；水热化；超远程

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0125-02

随着我国城镇化进程的逐步加快，越来越多的城市出现了高楼层建筑、城市立交桥、跨江大桥等大型建筑。而这些大型建筑的建设，势必要大范围的混凝土浇筑。根据热力学原理，水泥内部的散热要比外部慢的多。根据物体的热效应关系可以知道，在当水泥表面温度下降超过内部太多的时候会造成内部和表面的大笔数温差。而由于混凝土浇筑又是分时分段进行的，在不同时间浇筑的混凝土水热化和温度也不一样，在表面就容易产生对内部的一种拉力。而如果拉力太大，就会给整个大范围的混凝土块造成裂缝。这是一种对大型建筑极为不利的现象，会导致后期建设的建筑牢固性和抗外力性下降许多，甚至会出现楼梯倾倒事故，酿成不可挽回的后果。为了了解大范围的混凝土浇筑内部水热化过程中的温度传导情况，同时掌握外界天气，比如下雨天，晴天等对水泥的影响下混凝土的水热化进程。本文设计了一种大范围的混凝土浇筑水热化超远程监测系统，该系统已成功应用于永泰某工程基础大体积混凝土水热化检测，现就该系统的设计过程做一下阐述。

1 监测系统的总体设计构成

依据国家规范性文件《混凝土结构工程施工规范》（GB50666-2011）。本文设计一种可用于水热化监测的无线建筑电子水热化监测系统。该系统采用高精度温度传感器，可直观、准确地显示被水热化监测度，可靠性好、使用范围广、操作简单；同时温度自动采集并通过网络传输，设备安装后直至水热化监测结束无需人工干预，方便快捷。这就弥补了常规的人工现场采集的缺陷。在工地复杂的环境下，人工采集的方法时间间隔太久，往往会错过采集的时间，无法实时准确的获取到现成的温度情况。

鉴于该情况，本文设计一种采用超远程无线通信的方式对混凝土的水热化温度进行定时采集并通过GPRS终端将采集的数据批量发送到公司总部的接收服务器。如图1所示，系统采用ZIGBEE模块利用单总线技术在一根数据线上采集多路温度信息，获取的温度信息以串行的方式通过无线短距离自组网发送给ZIGBEE路由网关（接收模块），ZIGBEE路由网关接收到各个发送模块（节点）发送过来的数据后，以串行通信的方式发送到STM32信号转换模块，STM32信号转换模块将收到的温度数据编辑后控制GPRS模块将该批次温度采集的数据发送到网云，目标为公司总部的域名为http：// fjgdyt.vicp.io，数据写入端口为18269[1-2]。

2 监测系统的硬件模块设计

为方便理解，本文对监测系统各部分关键硬件进行分析[3-4]。

2.1 多路单总线温度采集模块设计

如图2所示，检测系统的最底层硬件为多路单总线温度采集模块。为了能够持续工作长时间，系统各个模块均采用大容量12V锂电池供电。针对ZIGBEE模块供电特点，必须给定一个5V的供电电源。因此需要在ZIGBEE模块与锂电池之间加一个电源降压模块，将12V降到5V之后供给ZIGBEE模块。利用自带的AMS-1117芯片将5V降到3.3V给ZIGBEE芯片供电，其余电路部分继续使用5V供电并共用一个地。考虑到ZIGBEE长时间工作的特性，为了让该部分模块工作更长一些，系统采用了延时继电器对ZIGBEE模块的工作时间做限制，使得ZIGBEE模块上电时间短（够发送数据即可），断电时间长。这样，在符合用户方数据采集要求的同时能更好地节省电源的消耗。

2.2 数据中心模块设计

系统的关键部分，数據中心的设计框图如图3所示。由于需要长时间对系统供电，数据中心选用12V大容量锂电池作为电源，经过延时继电器后，连接到电源降压模块，把电压降到5V供给STM32的控制核心板、ZIGBEE无线自组网模块和GPRS无线数据发送模块使用。ZIGBEE无线自组网模块串口与STM32信号转换模块串口1之间采用串行通信方式进行连接，STM32信号转换模块串口2与GPRS无线数据发送模块采用串行通信方式连接。

3 监测系统的软件程序设计

为方便理解，本文对监测系统各部分关键软件程序进行分析[5]。

3.1 多路单总线温度采集程序流程设计

如图4所示，本程序采用轮询的方式对并联在ZIGBEE板子上同一个IO接口的8个DS18B20温度传感器ROM光刻序列号值进行预先采集并做了8个编号。当系统上电的时候8个DS18B20温度传感器同时采集到各自相应的温度值。此时，由于8个传感器只接在同一个IO接口，故必须采用串行读取的方式进行分别采集。程序利用温度传感器自身的ROM值不同进行编号，做出1-8的传感器编号。同时，在程序开始后，进入循环体时按照ROM值从小到大的顺序进行甄别并采集相应的温度值，采集到的温度值发送到ZIGBEE板子的串口和无线自主网网关。

3.2 数据中心模块程序流程设计

如图5所示，当数据中心的前端ZIGBEE模块收到各个节点发来的各路温度数据后，根据数据的标识一一转发至STM32控制板串口1处。STM32芯片启动后由系统进行时钟设置和通信波特率初始化为115200，同时进行延时、USMART、与LED连接的硬件接口、按键、LCD、存储芯片、SD卡等的初始化工作。在挂载SD卡之后进行接收串口1数据扫描，当系统接收到由ZIGBEE传来的带标记的温度数据之后将数据暂时存放于内存缓存当中。系统利用AT指令启动并初始化GPRS模块，程序携带缓存数据进入SIM800C中断服务程序，进入中断后将缓存中的数据发送至串口3。当判断到GPRS与远端域名服务器建立TCP连接之后即可启动心跳数据发送程序。同时为了检验数据发送是否成功，在发送数据的同时请求远端服务器返回一个接收指令，并将接收到的指令发送到串口1以便观察。

4 监测系统成品

检测系统的最终成品如图6和图7所示，图6为系统的无线数据控制和发送中心、图7为系统的6个节点和数据中心。

5 结语

该系统已成功应用于永泰某工程基础大体积混凝土水热化检测，效果良好，如表1所示，本系统对各个监测节点点位的数据采集达到百分百覆盖。同时可以反映该大厦的混凝土水热化的温度变化过程，从而节省了非常大量的人力物力。

参考文献

[1]林鹏，李庆斌，周绍武，胡昱.大体积混凝土通水冷却智能温度控制方法与系统[J].水利学报，2018，（8）：950-957.

[2]李潘武，曾宪哲，李博渊，逯跃林.浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响[J].长安大学学报（自然科学版），2011，（5）：68-71.

[3]张君，祁锟，侯东伟.基于绝热温升试验的早龄期混凝土温度场的计算[J].工程力学，2009，（8）：155-160.

[4]王庆刚，张晋.基于单片机的机房温度预警系统的设计和实现[J].数字技术与应用，2018，（3）：3-4.

[5]刘璋.STM32单片机在室内环境监测系统中的运用研究[J].数字技术与应用，2016，（2）：20-20.