智能张拉设备OneNET物联网云平台测控系统研究

摘 要：提出一种基于嵌入式4G通信的智能张拉设备OneNET物联网云平台测控系统，采用高性能的STM32F103RCT6微控制器作为主控芯片，扩散硅压力传感器和轮辐式标准力传感器作为数据采集单元，嵌入式4G通信模块EC200S作为主控芯片与物联网云服务平台通信连接的核心纽带。物联网云平台采用OneNET，并开发了基于4G通信的智能张拉设备物联网测控系统的网页和智能手机应用，用于实现电脑Web端和安卓移动端对该系统的安全访问和无线控制。搭建了试验验证平台，通过试验结果验证了此方案的可行性，且以较小成本实现张拉数据接入物联网，对于解决张拉设备工作状态异常难以及时发现、系统巡检不便、远程调节预应力等问题具有重要指导意义。

关键词：智能张拉设备；双模控制；物联网；OneNET云平台；MQTT协议；移动终端

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-00-05

0 引 言

在交通强国发展理念下，我国公路总里程呈逐年稳步增长态势，桥梁建设技术已成为世界上先进的技术之一，其中决定桥梁整体质量的预应力技术尤为重要[1-2]。按照《公路桥梁施工技术规范》要求，张拉千斤顶与油表每6个月或张拉次数超过300次要进行一次联合标定，压力传感器的检定周期为1年[3-4]。然而在实际生产中，由于野外施工环境复杂多变，张拉液压缸很容易产生撞击或跌落现象，造成预应力筋张拉力不足，但是由于还没到标定周期，无法判定张拉设备是否处于完好状态。另外，智能张拉系统各模块之间的有线通信具有成本高、线路中所含的等效电容与等效电感值影响通信效率、收发器中共模电压超出正常范围会损坏通信节点、有线通信链路需要时常维护、很难找到故障点等缺点[5-8]。因此把物联网技术和云端服务技术运用到智能张拉系统中是十分必要的，可提高张拉质量，加速市政桥梁建设领域现代化、自动化和数字化进展。

本文提出一种基于嵌入式4G通信的智能张拉设备物联网测控系统设计，阐述了双模自校准张拉系统的结构与工作原理。智能张拉设备OneNET物联网云测控系统采用STM32F103RCT6主控芯片及其集成的M3S开发板和GSM无线通信网络，运用Keil程序编写工具，以扩散硅压力传感器和轮辐式标准力传感器作为数据采集模块，通过无线通信模块EC200S连接物联网云平台OneNET对数据进行传输；利用笔记本电脑开发OneNET可视化应用界面，给出无线通信系统的硬件设计与软件流程。对无线通信系统进行试验研究，实现了微控制器与无线通信模块之间的数据通信；在笔记本电脑和手机端APP可同时进行显示和张拉控制；微控制器上集成有液晶显示器、多色LED灯和继电器，系统具备双力值显示、报警、控制张拉系统作业、远程监测和设备服务控制功能，可有效防止张拉不到位现象，为准确判断张拉千斤顶对钢绞线的张拉力提供了依据，进而保证工程质量。

1 结构设计与工作原理

1.1 系统结构设计

本文提出的双模自校准智能张拉系统，包括张拉千斤顶、检测模块、无线通信模块、笔记本电脑和移动手机，如图1所示。其中，检测模块包括标准力传感器和压力传感器。标准力传感器置于对应张拉千斤顶的轴向一侧，用于直接检测预应筋张拉力。压力传感器用于检测张拉千斤顶内部的液压压强，换算得到张拉千斤顶对钢绞线的拉力。微控制器内包括微处理器单元、无线通信模块EC200S和移动SIM卡（Subscriber Identity Module，客户识别模块）。将标准力传感器和压力传感器采集的数据送到微处理器内进行运算、比较，由EC200S发射数据给笔记本电脑（PC端），PC端通过自身无线通信模块接收、发射和检测数据并实时显示在中国移动云平台上，通过PC Web端和手机APP软件可直接查询张拉数据、控制张拉状态和远程监测操作等。

智能张拉设备物联网测控系统结构和工作原理框图如图2所示，将预应力张拉装置中的压力传感器和标准力传感器测得的数据通过通信模块发送给云平台并显示出数据；同时如果所测压力和标准力数据差值超过误差范围，微控制器发送指令，LED灯闪烁，蜂鸣器报警，实现对预应力张拉系统的实时监测。无线通信模块EC200S内部有SIM卡，只要附近有移动基站，EC200S就能通过移动基站连接网络并以GPRS方式进行通信。通信费用是根据无线通信模块与云平台之间传输的数据流量进行计费，没有产生数据流量就不会产生费用。OneNET物联网云平台可视化窗口界面在PC Web端完成设计之后，在PC Web端和手机端均可登录云平台账号查看电压信息、压力信息、标准力值，下发终端设备控制指令。

1.2 双模智能张拉系统工作原理

双模自校准智能张拉系统工作流程框图如图3所示。梁体两端均有工具锚板，张拉系统开始工作时，预应力筋产生张拉力，当张拉到预应力筋的预设值时，缓慢放松千斤顶，套在预应力筋上的工具夹片被预应力筋的回弹作用带入工具锚的锥形孔，牢固锁定在工具锚的锥形孔里，形成锚固单元，预应力筋产生的预应力通过锚板垫板传递给砼，形成永久性预应力。张拉千斤顶工作的同时，其缸体或活塞杆通过顶推传力部向标准力传感器施加作用力，标准力传感器测得该力；将该力值与压力传感器的换算力值进行比较，如果超过±5%，系统启动报警程序，避免了无法判定张拉设备是否处于完好状态的技术问题。

根据《建筑工程施工质量验收标准》（GB 50300—2013）规定：在张拉过程中，张拉千斤顶对预应力筋的预应力与施工方案中预应力的预设值相差不能超过±5%[9]。因此，压力传感器所测得力值换算后与标准力传感器所测得的力值相差不能超过±5%，以此作为判断双模自校准智能张拉系统是否处于正常工作状态的依据。换算力值等于压力传感器所测张拉千斤顶内部的液体压强与活塞面积的乘积。

当微控制器监测到智能张拉设备工作状态出现异常时，通过4G通信模块EC200S的GSM服务向管理者发送异常报警短信，同时向云平台OneNET上传报警信息。

2 系统软件设计及其运行原理

为了最大限度缩短开发周期，采用模块化编程思想，执行软件开发国家行业标准，遵循模块化独立和开放接口的原则。无线通信模块传输协议采用MQTT协议，构建于TCP/IP协议之上，采用一对多基于客户端-服务器的消息发布/订阅模式，具有轻量、简单、开放和易于实现的特点[10]。

2.1 MQTT协议框架

系统采用MQTT作为双模智能云平台物联网通信协议标准，云平台架构如图4所示。云平台需要提供对单片机、无线模块及控制端的接入和消息收发服务，提供对APP以及设备端的Rest服务。消息服务器发挥通道的功能，不进行业务逻辑处理；MQTT可以直接传输二进制数据，具备高效率和轻量化特性。暴露的接口和通道绑定域名地址，采用IP地址解耦机制实现系统之间的数据交互。搭建WebService服务，开放统一的数据接口给APP/Web客户端使用，工程技术管理人员在电脑Web端可以对设备进行管理。云平台的任意节点均可快速集群，通过调整集群部署结构，实现快速系统扩容。

云端数据交互处理架构由MQTT客户端、MQTT Broker、数据交互处理程序、MySQL数据库组成。MQTT客户端包括四部分，数据采集装置微控制器创建的MQTT客户端负责上传施工现场张拉设备监控数据并接收参数修改指令数据；OneNET云服务器创建的MQTT客户端用于接收施工现场张拉设备监控数据并解析处理和存储；电脑Web端创建的MQTT客户端用于接收施工现场设备监控数据来对张拉设备进行实时监控；移动端APP创建的MQTT客户端用于接收施工现场设备监控数据，对所管控的张拉设备状态进行实时监控，并发布张拉参数和控制指令数据到系统，根据参数修改主题，完成对张拉设备系统参数的修改和人为控制。

2.2 无线模块通信

微控制器的数据传输是由无线通信模块完成的，无线通信模块内部与微控制器连接，外部与云平台连接，从而进行数据传输，有线通信模块完成微控制器与PC端之间的实时工作状态的传输。模块运行之前需要进行串口初始化，之后启用有线通信模块，配置无线通信模块接入云平台。微控制器判断设备是否连接到云平台，如果无法连接，则继续配置无线通信模块，直至连接成功。然后，微控制器便向云平台发送数据，也可以接收云平台下发的相关数据。无线模块与云平台通信如图5所示。

2.3 云服务平台OneNET应用开发

本文利用中国移动物联网云平台OneNET作为远程服务器，OneNET不仅可以接收无线通信模块发送到云端数据，而且还支持云端下发控制指令到终端设备中。

注册账号，进行身份认证，认证通过登录到云平台，点击控制台全部产品选择接入的协议为“多协议接入”，设置相应的连接方式以及产品名称等信息。产品创建成功，系统自动生成产品ID和用户ID。把云平台服务器IP地址和端口号等信息写到无线模块的程序中，中国移动物联网云平台服务器地址为“183.230.40.39”，端口号为“6002”。

为了使用户能够从多角度观察数据，利用OneNET平台设置应用编辑器，以图表的方式直观地实现数据流可视化。本文共上传三个数据，需要两个仪表盘：一个仪表盘显示传感器所测得的压力，另一个显示传感器的输出电压。仪表在组件库中添加，设置仪表相应的数据流、表盘的额度等信息。为了更加直观地看出压力的变化，在应用里面添加折线图，设置相应数据流等信息，数据通过曲线方式实时显示。

最后需要设置云平台下发控制指令的按钮。选择加入

1个按钮。开关的属性数据流选择为swtctr，开关的开值设为S1，关值设为S0。组件添加结束后对组件进行排版、设计、保存、发布，可直接点击组件编辑应用进行属性修改。

3 系统硬件实现

双模自校准智能张拉无线通信系统包括微控制器STM32F103RCT6主控芯片及其集成的M3S开发板。无线通信模块选用基于GSM网络的EC200S-CN；数据采集模块包括Gravity模拟量液压压力传感器和ZNLBS型拉力传感器；笔记本电脑用于开发和管理中国移动物联网云平台OneNET可视化应用界面，利用移动手机可打开应用链接查看数据和下发控制指令，如图6所示。

3.1 主控制器设计

微控制器主控芯片为STM32F103RCT6，其内核Cortex-M3CPU的工作频率是72 MHz，能够满足双模自校准智能张拉系统实时接收、发送多组数据的需求。无线通信模块EC200S-CN支持LTE-FDD/LTE-TDD/GSM方式以及相应网络数据连接的通信模块，传输速率快且性价比高。兼容了移远通信的多网络制式，4G网络与5G网络可以实现无缝切换。EC200S内部有SIM卡，只要模块附近有移动基站，EC200S就能通过移动基站连接网络并以GPRS方式与其他设备终端进行通信。

3.2 移动终端硬件设计

采用智能安卓手机作为移动终端，操作更加直观便捷；智能手机配有多模态无线通信单元，可进行4G 通信、WiFi 通信，通过相应的APP程序与智能张拉主控制器进行通信，根据主控制器的指令进行双模张拉双力值测控、张拉力值错误预警。智能手机配套的测控APP程序基于Android操作系统开发，因此智能手机的硬件要求仅限于蓝牙数据接口、GPS硬件支持模块和4G/WiFi无线通信模块。

3.3 智能张拉传感器布置

采用Gravity模拟量液压传感器，测量范围为0～1 600 kPa，5 V标准供电电压，0.5～4.5 V的线性输出，精度等级为0.5%FS～1%FS。响应时间小于2.0 ms，静态电流为2.8 mA，压力传感器选用的是小量程传感器0～1.6 MPa。选用的标准力传感器是ZNLBS型拉力传感器，测量量程为0～10 kg，测量灵敏度为2±0.005 mV/V，综合精度为0.02%FS。将标准力传感器所测力值作为张拉力值标准，来检测液压千斤顶的液压力是否准确。

4 功能验证试验

4.1 数据监控

初始状态压力传感器所测得的压力为0 kPa（压力传感器的内部设计已经排除了大气压强的影响因素），压力传感器输出的电压为0.49 V。当在外部施加压力时，压力传感器的输出电压开始增大，压力也随之增大，最终当外部施加压力使传感器的输出电压大于0.97 V时，测得的压力数值可达到196 kPa，压力传感器电压与压力曲线、轮辐式传感器力值云平台上的监控结果如图7（a）所示。

4.2 远程服务控制

OneNET云平台不但功能丰富而且有很强的开放性，可在手机上打开应用链接查看实时检测数据和下发服务指令。程序开始运行，上传至云平台的数据包括压力、电压以及继电器的状态（继电器默认关闭状态）可通过PC Web端和手机APP上查看并发布控制指令。继电器在本系统中与张拉千斤顶液压油油泵的电源控制线相连，通过数据流选择把继电器的状态信息设置到按钮上面。点击云平台“ON”按扭，云平台下发数据，继电器打开，继电器工作指示灯亮，连通液压油油泵的电路，张拉千斤顶开始工作；点击云平台“OFF”按钮，云平台下发数据，继电器关闭，继电器工作指示灯灭，断开张拉千斤顶油泵电路，张拉千斤顶停止工作。测试结果如图7（b）所示。

4.3 异常信息推送

当在云平台按下继电器控制开关时，继电器打开，LED灯亮蓝色，表示接通张拉千斤顶油泵电源，张拉系统开始工作。系统设置了阈值报警，当压力传感器测量换算值与标准力传感器数据差值超过设定范围（5%）时，触发报警装置，LED灯亮红色并关闭继电器，表示设备运行异常，微控制器自动断开张拉系统电源，张拉系统停止工作。LED灯亮蓝色，表示系统正常，可以继续进行张拉，测试结果如图7（c）所示。

系统启动阈值报警时，来自云控制器的服务信息以短信提醒形式下发至终端设备控制节点手机端，可在手机上手动输入“控制”，通过云平台提供施工现场检测功能的远程设备控制服务。

5 结 语

本文提出了基于OneNET物联网云平台的智能张拉设备物联网测控系统，通过设计与智能预应力张拉系统相匹配的软件、硬件和物联网云服务平台通信网页，运用4G通信技术把相关数据上传至物联网云平台，实现在PC Web端和智能手机端对张拉数据的安全访问和远程控制，以较小成本实现张拉数据接入物联网。经过试验验证了在网页和手机APP上能够实时远程监测张拉数据，下发控制指令，具备双力值显示、系统保护和远程异常信息推送、数据远程监测和长期储存、预应力张拉的远程设备控制功能，可有效防止张拉不到位现象发生，实现现场和远程监测以及数据溯源。对于解决张拉设备工作状态异常难以及时发现、系统巡检不便、无法远程调节预应力等问题具有重要的意义。

基于OneNET物联网云平台的双模自校准张拉系统为准确判断张拉千斤顶对钢绞线的张拉力提供了依据，保证了工程质量，提高了生产效率，扩展了监测手段，解决了无法判定张拉设备是否处于完好状态的问题，同时也可用于现场其他类型张拉设备的通信工作。一旦应用到工程实践中，可通过智能化、自动化设备实现“机械化换人、自动化减人”的目的，有利于加强工程实践过程中信息化管理手段。OneNET物联网云平台技术的引入将大大促进预应力张拉系统的整体技术水平，加速桥梁市政建设向数字化、自动化、智能化方面转变。

注：本文通讯作者为刘旭玲。

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作者简介：郭彦伟（1983—），男，本科，工程师，研究方向为公路工程、市政工程。

刘旭玲（1981—），女，博士，讲师，研究方向为微流体驱动与控制、桥梁检测。

收稿日期：2023-07-25 修回日期：2023-08-22

基金项目：国家自然科学基金项目（52005453）；河南省科技攻关项目（232102320056）；河南省交通运输厅科技项目（2020J1，2020J2，2023-5-3）；郑州市“揭榜挂帅”科技项目（2023JBGS009）