混凝土流量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

梁旭 王紅

摘要：混凝土是現(xiàn)代建筑業(yè)重要的建筑材料。隨著建筑增多，混凝土的需求量也日漸增大，如何精準(zhǔn)的監(jiān)控混凝土的流量就成為了亟待解決的問(wèn)題。在混凝土的流量監(jiān)控中，需要構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳遞。本文主要闡述了混凝土流量監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中采用的通信技術(shù)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；電磁流量計(jì)；混凝土；流量監(jiān)控

1引言

生產(chǎn)預(yù)制混凝土構(gòu)件的公司在澆筑模型時(shí)需要對(duì)所用的混凝土量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但檢測(cè)設(shè)備的價(jià)格較高，所以中小型的公司仍然主要通過(guò)管道直徑及水泵送出壓力值計(jì)算混凝土的流量。此方法精度低仍需大量員工現(xiàn)場(chǎng)操作。該項(xiàng)目在了解各類傳感器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究混凝土構(gòu)成及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)用于檢測(cè)混凝土流量的傳感器系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所出混凝土量及剩余混凝土量的計(jì)算，對(duì)提高生產(chǎn)預(yù)制混凝土構(gòu)件公司的生產(chǎn)效率及降低產(chǎn)品成本有積極的意義。

2混凝土概述

2.1混凝土

混凝土，簡(jiǎn)稱為“砼”，是指由膠凝材料將骨料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料的統(tǒng)稱。通常講的混凝土一詞是指用水泥作膠凝材料，砂、石作骨料，與水（可含外加劑和摻合料）按一定比例配合，經(jīng)攪拌而得的水泥混凝土，也稱普通混凝土，它廣泛應(yīng)用于土木工程。

2.2常用混凝土配比及相關(guān)參數(shù)

混凝土配合比是指混凝土中各組成材料之間的比例關(guān)系?；炷僚浜媳韧ǔＳ妹苛⒎矫谆炷林懈鞣N材料的質(zhì)量來(lái)表示，或以各種材料用料量的比例表示（水泥的質(zhì)量為1）。

設(shè)計(jì)混凝土配合比的基本要求：

（1）滿足混凝土設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí)。

（2）滿足施工要求的混凝土和易性。

（3）滿足混凝土使用要求的耐久性。

（4）滿足上述條件下做到節(jié)約水泥和降低混凝土成本。

從表面上看，混凝土配合比計(jì)算只是水泥、砂子、石子、水這四種組成材料的用量。實(shí)質(zhì)上是根據(jù)組成材料的情況，確定滿足上述四項(xiàng)基本要求的三大參數(shù)：水灰比、單位用水量和砂率。

混凝土按強(qiáng)度分成若干強(qiáng)度等級(jí)，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)是按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值劃分的。立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是立方抗壓強(qiáng)度總體分布中的一個(gè)值，強(qiáng)度低于該值的百分率不超過(guò)5%，即有95%的保證率。混凝土的強(qiáng)度分為C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60等十二個(gè)等級(jí)。

混凝土配合比是指混凝土中各組成材料（水泥、水、砂、石）之間的比例關(guān)系。有兩種表示方法：一種是以1立方米混凝土中各種材料用量；另一種是用單位質(zhì)量的水泥與各種材料用量的比值及混凝土的水灰比來(lái)表示。例如：

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混凝土流量監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)查看終端構(gòu)成。為精確、實(shí)時(shí)測(cè)量混凝土流量，本系統(tǒng)采用電磁流量計(jì)進(jìn)行混凝土流量的監(jiān)測(cè)，配合微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。電磁流量計(jì)可將混凝土的流量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)激勵(lì)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)被送到轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)的處理。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)通過(guò)微處理器的收發(fā)模塊，利用ZigBee技術(shù)發(fā)送到本地服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析。本地服務(wù)器主要任務(wù)是通過(guò)混凝土攪拌車流量數(shù)據(jù)計(jì)算車內(nèi)剩余混凝土體積和剩余出料時(shí)間，結(jié)合工程本階段所需混凝土數(shù)量對(duì)混凝土運(yùn)輸車輛進(jìn)行合理調(diào)配。現(xiàn)場(chǎng)施工人員可以通過(guò)手機(jī)電腦等終端設(shè)備查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及時(shí)安排工作，節(jié)省施工時(shí)間，保證項(xiàng)目及時(shí)完工。下圖1是混凝土流量監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

2.2微處理器

微處理器選用Chipcon公司出品的CC2430。CC2430由CC2420芯片升級(jí)而來(lái)。CC2420是其早期出品的一款硬件射頻無(wú)線電芯片，硬件上使用針對(duì)2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的RF收發(fā)器，在業(yè)界是較為領(lǐng)先的。該收發(fā)器可配合其它芯片廠商生產(chǎn)的微處理進(jìn)行搭建系統(tǒng)，構(gòu)建無(wú)線模塊，因?yàn)槠鋵ｉT為符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的芯片，所以功能上區(qū)別于其他類型的無(wú)線收發(fā)器。CC2430這款芯片包含了一顆8051內(nèi)核、CC2420無(wú)線電內(nèi)核，及相關(guān)功能部件，是一個(gè)新型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用硬件方案。其減少了一個(gè)微處理器芯片，同時(shí)增加了集成度和可靠性，集成了必然降低整體功耗。

2.3ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)和發(fā)展得到常用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。主要選用在低功耗，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)；低成本，每塊芯片的價(jià)格大約為2美元；短時(shí)延，ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s；高容量，ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)；免執(zhí)照頻段，使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，915MHz（美國(guó)），868MHz（歐洲），2.4GHz（全球）。

3 總結(jié)與展望

該系統(tǒng)利用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)精確實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)混凝土攪拌車的出料情況，從而計(jì)算出剩余混凝土的體積和出料時(shí)間，為施工人員提供了便利，同時(shí)能夠節(jié)省工程成本，合理安排施工時(shí)間。因施工現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，干擾因素較多，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況，這一問(wèn)題將會(huì)在日后的研究中進(jìn)行改進(jìn)，希望本系統(tǒng)能夠真正應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，為施工帶來(lái)便利。

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作者簡(jiǎn)介：梁旭，山東協(xié)和學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院2015級(jí)學(xué)生，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)

*項(xiàng)目基金：2017年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目名稱：混凝土流量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目編號(hào)：201713324082）