基于Wi- Fi 技术的大体积混凝土无线测温系统开发

2020-05-12陈武杰韩崇阳杨胜波何立军田蒙杰

科学技术创新 2020年10期

陈武杰费翔* 韩崇阳杨胜波何立军田蒙杰

（1、天津城建大学土木工程学院，天津300384 2、天津城建大学计算机与信息工程学院，天津300384）

随着工程建设技术的发展，大体积混凝土结构的应用不断增多，如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝、港口码头等[1-3]。按照《大体积混凝土施工标准规定》（GB50496-2018），大体积混凝土是指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m 的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。在大体积混凝土构件的浇筑和养护过程中，水化反应会在混凝土内部产生大量化学热，由于外层混凝土的封闭作用和散热路径长，内外温差形成温度应力，出现温度变形，如果变形受到约束，必将导致裂缝的产生，从而降低构件的承载能力和耐久性能[4]。因此，为保证大体积混凝土的质量，施工过程中定时定点测温，严格监测内表温差、内部最高温升、降温速率等指标变化，适时采取调整浇筑方式、改变配比、潮湿养护、覆盖保温等温控措施是防裂的关键[5]。

目前，大体积混凝土工程的测温系统多采用有线传输的星型拓扑结构，即一个数据控制中心用电缆连接多个采集单元（图1）。由于工程规模大，通常需要布置成千上万的测温点，有线传输的方式成本较高。而且，施工现场环境复杂，各种材料和机械的堆放与转运均有可能破坏传输线缆，造成测温监控工作中断，数据缺失。

随着物联网的迅猛发展，越来越多的新技术开始应用于传统行业和领域中[6]。吴俊彦（2016）[7]提到采用自带微机接口声光警报功能的智慧巡回检测仪采集混凝土内部预埋温度传感器数据的方法。石迎新（2014）[8]介绍了基于GPRS 技术的无线远程自动测温系统在南盘江特大桥拱座混凝土施工中的应用。钱立志等（2018）[9]提出了LoRa 技术在大体积混凝土测温系统中的应用方案和系统设计。

图1 大体积混凝土测温仪

但在上述技术方案中，物联网技术仅用于测温数据的转发，其测温终端温度数据的采集仍采用有线方式。为了提高测温工作的安全性和可靠性，本文开发了基于Wi-Fi 技术的大体积混凝土无线测温系统，在温度传感器上加装Wi-Fi 模组实时采集混凝土内部的温度数据，构建高效无线监测网络提高了密集多点测温的便利性，有效降低了测温工作的人工工时、线缆成本和施工难度。

1 系统架构

无线测温系统由温度采集终端、温度数据集中器、温度监控中心三个部分构成（图2）。温度采集终端和温度数据集中器通过Wi-Fi 进行通信。温度采集终端使用DS18B20 温度传感器，采用总线式连接降低成本，即将多个传感器并联到一条混凝土预埋线上。温度采集终端的MCU（Micro Control Unit，微控制器单元）采用带Wi-Fi 功能的SoC 模块ESP8266，兼顾温度传感器控制和Wi-Fi 通信的功能。采集终端的组网模式为AP（Access Point）+STA（Station），子网传输距离以200m 为限。温度数据集中器负责整合数据并转发到公网，设计了Windows 和Android 两种版本，使用UART 和Wi-Fi 接口，在PC端和手机端同步接收。温度监控中心是最终的数据整合端，可以实时监控混凝土内部的温度变化，并对温度检测值进行存储、整理、分析等。

图2 基于Wi-Fi 技术的无线测温系统架构

2 实验验证

为了验证上述测温系统的有效性，制作了规格为1000mm×20mm×25mm 的钢质测温试验槽。首先将硅橡胶加热片平铺在钢槽底部，然后将温度采集终端与针式温度计绑定平放其中，填满中沙，以模拟大体积混凝土内部的温度变化过程。

2.1 材料和组件检测

首先，检测加温材料- 硅橡胶加热片的性能：

（1）随机选取4 张硅橡胶加热片，编号1、2、3、4。

（2）分别设定加热目标温度为75℃、80℃、90℃、100℃，通电加热。

（3）经过充分加热后，用针式温度计测试4 张硅橡胶加热片的温度分别为75℃、83℃、89℃、101℃。可见，以硅橡胶加热片为热源能够有效模拟混凝土的温升过程。

其次，检测无线监测组件的性能。将温度采集终端放置于不同位置，通过PC 端和手机端的温度监控中心采集了数据，确认无线测温系统的组件工作正常。

2.2 数据采集及分析

进行了两组测试，分别对应低温区间和高温区间。温度采集终端的预埋深度为10cm。在硅橡胶加热片开启一段时间后，每隔3 分钟进行一次温度采集，同时读取针式温度计读数和温度监控中心数据，总测试时长60 分钟，数据如图3。对比针式温度计读数和温度监控中心接受到的温度数据，低温区间两者相对误差1.23%～2.33%，高温区间两者相对误差0.10%～1.65%，说明本文开发的无线测温系统工作稳定，传输可靠。