基于GPRS的預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生自動控制系統(tǒng)

王海英+梁鵬+邱喜華+阮祺+呂東源

摘 要：針對傳統(tǒng)預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生存在質(zhì)量監(jiān)測和控制的問題，結(jié)合單片機技術(shù)、GPRS無線通信技術(shù)以及傳感器技術(shù)，設(shè)計了基于單片機、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)制梁噴淋作業(yè)的自動控制，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)將監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)發(fā)布到廣域網(wǎng)，使工作人員可以通過Web瀏覽器或客戶端對預(yù)制梁的養(yǎng)生情況進行遠程監(jiān)控和調(diào)度指揮。

關(guān)鍵詞：自動噴淋養(yǎng)生；預(yù)制梁；GPRS無線網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：U445.47 文獻標(biāo)志碼：B

Automatic Spraying System for Curing of Precast Beams Based on GPRS

WANG Haiying， LIANG Peng， QIU Xihua， RUAN Qi， LU Dongyuan

（Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China）

Abstract： In view of the fact that it is hard to monitor and control the quality of precast beams curing in traditional way， an automatic spraying system for the curing of precast beams was design based on SCM and GPRS wireless network. The system enables the automatic control over the spraying， and distributes data achieved from the monitoring center to WAN via Internet and network database technology. As a result， the technicians can conduct the remote monitoring of the curing of precast beams with the Web browsers and clients.

Key words： automatic spraying； precast beam； GPRS wireless network； monitoring system

0 引 言

預(yù)制梁是高速公路和鐵路的重要組成部分，在交通建設(shè)中被大量使用，目前中國鐵路和公路預(yù)制梁噴淋的養(yǎng)護方式主要是靠人工操作完成，勞動力投入相對較大[14]。 操作過程中由于養(yǎng)護工人的工作態(tài)度和質(zhì)量意識不強，常常出現(xiàn)漏養(yǎng)現(xiàn)象，使預(yù)制梁翼板易產(chǎn)生裂紋，形成質(zhì)量通病；且人工操作會不可避免地出現(xiàn)疏忽和數(shù)據(jù)記錄不全等缺點，導(dǎo)致預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生的養(yǎng)護不到位，人工記錄數(shù)據(jù)的成本又比較高，增加了項目建設(shè)的成本[57]。

為了解決目前存在的問題，本文開發(fā)了基于GPRS無線數(shù)據(jù)通信的預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生自動控制系統(tǒng)。通過現(xiàn)場安裝的STM32和TFTLCD觸摸屏對水泵和電磁閥進行控制和監(jiān)測，實現(xiàn)噴淋養(yǎng)生的自動控制，避免人工養(yǎng)生帶來的高額費用和較大誤差。通過GPRS無線數(shù)據(jù)通信將現(xiàn)場采集的噴淋信息傳送到中心數(shù)據(jù)庫，管理人員可以遠程觀察到各個梁場的噴淋情況，并進行相應(yīng)的遠程操作，實現(xiàn)預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生的遠程監(jiān)測和控制。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

自動控制系統(tǒng)主要是由噴淋養(yǎng)生現(xiàn)場自動控制子系統(tǒng)、GPRS數(shù)據(jù)遠程傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和管理子系統(tǒng)3部分組成，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

各個梁場的噴淋養(yǎng)生信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，管理處具有最高權(quán)限，可以查詢和監(jiān)控各個合同段梁場的養(yǎng)護信息，合同段可以根據(jù)各自的權(quán)限通過客戶端或Web瀏覽器對梁場的噴淋養(yǎng)生信息進行監(jiān)測和控制，從而實現(xiàn)了梁場的標(biāo)準(zhǔn)化和精細化管理[89]。

2 現(xiàn)場自動控制子系統(tǒng)硬件設(shè)計

預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生的現(xiàn)場自動控制子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，由微處理器、人機模塊、傳感器輸入、執(zhí)行器輸出、通信模塊5部分組成，如圖2所示。

微處理器采用STM32F103x8型號單片機作為自動控制系統(tǒng)的核心，其既可以與LCD觸摸屏聯(lián)機工作，也可以獨立按設(shè)定的工況工作。通過微處理器可以在計算機終端或LCD觸摸屏設(shè)定噴淋時間、循環(huán)間隔時間、梁的型號，選擇需要養(yǎng)護的臺座，同時顯示實時工作狀態(tài)，對電磁閥和水泵進行控制，實現(xiàn)預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生的自動控制。

人機模塊的主控元件為LCD觸摸屏和手動按鍵。LCD觸摸屏既可以設(shè)置系統(tǒng)工作狀態(tài)，還可以監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況。當(dāng)LCD觸摸屏出現(xiàn)故障時，也可以選擇手動控制模式。這種雙模式的設(shè)計有效地保證了系統(tǒng)運行的可靠和安全[10]。

溫濕度傳感器是現(xiàn)場自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，它們的信號輸入端和輸出端與STM單片機相接。采用電磁繼電器作為執(zhí)行器輸出的控制元件，以ULN2803反向驅(qū)動器對繼電器進行驅(qū)動，通過控制電磁閥來實現(xiàn)水泵的開閉。

現(xiàn)場用到的無線網(wǎng)絡(luò)通信方式有GPRS、WIFI、藍牙等，它們都可以對系統(tǒng)進行控制。本自動噴淋養(yǎng)生系統(tǒng)采用GPRSDTU的通信模塊，STM32單片機與GPRSDTU進行數(shù)據(jù)交互，將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式打包發(fā)送到遠端的中心數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)供施工質(zhì)量監(jiān)理人員查看，同時管理人員也可以通過GPRSDTU向現(xiàn)場下發(fā)命令。設(shè)計的通信模塊的電路連接原理如圖3所示。

3 現(xiàn)場自動控制子系統(tǒng)軟件設(shè)計

噴淋養(yǎng)生自動控制系統(tǒng)的軟件層面主要是由傳感器輸入信號轉(zhuǎn)換模塊、GPRS無線通信模塊、LCD觸摸屏模塊和噴淋控制模塊構(gòu)成。每一個模塊的控制流程和控制方法都不相同，因此要根據(jù)系統(tǒng)所選用的硬件和現(xiàn)場的實際情況編寫相應(yīng)的程序。自動噴淋養(yǎng)生控制系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。

在噴淋養(yǎng)生控制過程中，控制程序先從溫濕度一體傳感器中讀取現(xiàn)場的溫度和濕度；控制程序會將溫度和濕度數(shù)值代入混凝土最佳含水量的經(jīng)驗公式和混凝土含水量蒸發(fā)速率公式，推算噴淋所需的水量；通過管路的流量和壓力等信息計算噴淋的時長，使繼電器對電磁閥進行操作。當(dāng)控制系統(tǒng)計算出某一時間段內(nèi)的水分蒸發(fā)速率使預(yù)制梁達到了最佳含水量下限的時候，自動打開繼電器開始噴淋，噴淋時間滿足計算的時長后關(guān)閉電磁閥。繼電器開啟和關(guān)閉的時間將暫存于單片機存儲單元中，調(diào)用通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。

在控制系統(tǒng)中，根據(jù)混凝土最佳含水量經(jīng)驗公式（1）計算出實時的噴淋面所需的最佳噴水量，從而由混凝土含水量蒸發(fā)速率公式（2）計算得出該噴水情況下的蒸發(fā)速率，再根據(jù)這2項與溫度和濕度相關(guān)的參數(shù)折算出電磁閥開啟的時間。

式中：W為加權(quán)的最佳含水量；WS為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生情況下的最佳含水量；φ為實時相對濕度；t為實時溫度；E為噴水時的蒸發(fā)速率；Tc為混凝的土溫度；Ta為氣溫；r為相對濕度；V為風(fēng)速。

4 GPRS數(shù)據(jù)遠程傳輸子系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)場無線傳輸模塊包括WIFIDTU傳輸和GPRSDTU傳輸2部分。WIFIDTU傳輸主要是解決現(xiàn)場人員用便攜式設(shè)備對噴淋控制箱進行遠程控制；GPRSDTU傳輸模塊將噴淋信息傳送到中心數(shù)據(jù)庫，便于管理處和合同段的工作人員對梁場進行遠程控制。

本系統(tǒng)中的GPRSDTU模塊選擇宏電H7710工業(yè)級DTU，該模塊的RS485串行數(shù)據(jù)接口與STM32的串口連接。GPRS與監(jiān)控中心通信過程如下：將DTU模塊連接在電腦上，在GPRSDTU中寫入監(jiān)控中心靜態(tài)IP端口號、協(xié)議方式、通訊參數(shù)以及SIM卡號；當(dāng)現(xiàn)場安裝的GPRSDTU通電后，從模塊內(nèi)部Flash中讀取配置參數(shù)，就可以進行GPRSPPP撥號獲得一個內(nèi)網(wǎng)的IP地址；GPRSDTU通過移動網(wǎng)關(guān)向數(shù)據(jù)中心發(fā)起TCP請求，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路建立成功后，便實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向通信；中心數(shù)據(jù)庫根據(jù)所識別的身份信息將命令發(fā)送給DTU，DTU將接收到的TCP/IP協(xié)議包進行解析并通過RS485接口傳輸給STM32，STM32根據(jù)接收的命令對設(shè)備進行相應(yīng)的控制；當(dāng)STM32將噴淋信息反饋回GPRSDTU后，GPRSDTU把串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議包數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，這樣噴淋養(yǎng)生信息就通Internet發(fā)送到監(jiān)控中心IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，再通過端口映射將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機客戶端；在聯(lián)網(wǎng)的電腦上可以下達相應(yīng)命令，該命令通過虛擬轉(zhuǎn)發(fā)軟件將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包下傳到DTU中，DTU經(jīng)過對數(shù)據(jù)包的解析，完成對STM32控制命令的下達。GPRSDTU與監(jiān)控中心通訊過程如圖5所示。

GPRS無線網(wǎng)絡(luò)作為中心服務(wù)器，是各個預(yù)制梁場控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳送的媒介。監(jiān)控中心通過GPRSDTU實現(xiàn)對各預(yù)制梁場設(shè)備的運行情況進行監(jiān)測，也可以通過GPRSDTU對STM32下達命令，這種模式有效地實現(xiàn)了預(yù)制梁的自動化控制和標(biāo)準(zhǔn)化管理。

5 數(shù)據(jù)采集和管理子系統(tǒng)設(shè)計

施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)的接收與遠程控制等操作主要是由管理系統(tǒng)軟件來完成。目前的軟件架構(gòu)有B/S和C/S兩種，2種架構(gòu)在上位機軟件系統(tǒng)的搭建、運行以及維護過程中具有不同的特點。本系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)據(jù)采集和管理軟件以Microsoft Visual Studio 2008為平臺，通過軟件開發(fā)商提供的ADO、DATASET等VCL組件，對中心數(shù)據(jù)庫進行訪問。其主要任務(wù)是實現(xiàn)對各個標(biāo)段的梁場設(shè)備運行監(jiān)控，數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析，歷史數(shù)據(jù)的查詢以及提取需要的生產(chǎn)報表、網(wǎng)頁發(fā)布等。在管理處和合同段的計算機客戶端的瀏覽器輸入制定的網(wǎng)址，就可以進行噴淋養(yǎng)生系統(tǒng)的登錄和相關(guān)操作。Web服務(wù)器為中間平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)各項命令與后臺服務(wù)器的實時交互操作；收到的信息被后臺數(shù)據(jù)庫解碼轉(zhuǎn)換，然后數(shù)據(jù)服務(wù)器將處理結(jié)果反饋回Web服務(wù)器端，最后數(shù)據(jù)結(jié)果將以網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)在用戶面前。圖6為B/S架構(gòu)的三層服務(wù)結(jié)構(gòu)圖。

數(shù)據(jù)采集和管理軟件的具體功能如下。

（1）在線監(jiān)控。配合現(xiàn)場監(jiān)控圖像，實時對預(yù)制梁場的工作情況進行輔助管理，可以在控制中心對現(xiàn)場輸入的預(yù)制梁場信息和預(yù)制梁信息進行編輯與修改，保證每一個預(yù)制梁號的唯一性；當(dāng)現(xiàn)場人為疏忽導(dǎo)致養(yǎng)生沒有及時開始的情況時，后臺人員可以與現(xiàn)場人員及時溝通或遠程啟動相應(yīng)的操作。

（2）顯示報表。顯示預(yù)制梁進入養(yǎng)生階段的開始時間，并記錄養(yǎng)生階段的實時環(huán)境溫度、濕度、相應(yīng)的噴淋時間和此時刻的含水量，以確保養(yǎng)生的預(yù)制梁處于最佳養(yǎng)生狀態(tài)，如圖7所示。

（3）合理調(diào)度。能實時并且直觀的顯示處于養(yǎng)生階段預(yù)制梁的信息、預(yù)制梁臺座的使用情況，從而協(xié)助生產(chǎn)調(diào)度人員合理規(guī)劃和安排噴淋養(yǎng)生作業(yè)臺座資源的使用。

（4）歷史查詢和統(tǒng)計。對噴淋的歷史數(shù)據(jù)進行查詢，查詢的歷史數(shù)據(jù)會以柱狀圖的形式顯示，這樣有助于質(zhì)量監(jiān)理人員對已經(jīng)生產(chǎn)完成的預(yù)制梁進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

（5）報警功能。一旦發(fā)現(xiàn)某個梁場的噴淋參數(shù)設(shè)置錯誤或者設(shè)備出現(xiàn)故障，組態(tài)軟件會向相關(guān)的值班人員發(fā)送相應(yīng)的報警信息，必要時可以發(fā)送命令遠程中止梁場噴淋系統(tǒng)的運行。

6 結(jié) 語

本文采用了傳感器、GPRS無線通信和單片機等多種技術(shù)，設(shè)計了預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生的自動控制系統(tǒng)，以STM32單片機為核心的微處理器實現(xiàn)對梁場的噴淋信息進行自動控制。通過GPRS無線通信技術(shù)將現(xiàn)場和后臺有機的結(jié)合，后臺服務(wù)器將噴淋數(shù)據(jù)信息直觀地展現(xiàn)；用戶通過客戶端或網(wǎng)頁可以對預(yù)制梁噴淋進行有效的管理，從而有效地保證了預(yù)制梁的質(zhì)量。

預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生自動控制系統(tǒng)利用現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)思想，把現(xiàn)場實時控制與遠程監(jiān)控結(jié)合為一體，實現(xiàn)了預(yù)制梁噴淋養(yǎng)生的自動化控制，保證了歷史數(shù)據(jù)的真實可靠，對公路和鐵路的安全運營有重大的現(xiàn)實意義。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]