基于Wi- Fi 技術(shù)的大體積混凝土無線測(cè)溫系統(tǒng)開發(fā)

陳武杰 費(fèi) 翔* 韓崇陽 楊勝波 何立軍 田蒙杰

（1、天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津300384 2、天津城建大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津300384）

隨著工程建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不斷增多，如高層樓房基礎(chǔ)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、水利大壩、港口碼頭等[1-3]。按照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》（GB50496-2018），大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m 的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。在大體積混凝土構(gòu)件的澆筑和養(yǎng)護(hù)過程中，水化反應(yīng)會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量化學(xué)熱，由于外層混凝土的封閉作用和散熱路徑長(zhǎng)，內(nèi)外溫差形成溫度應(yīng)力，出現(xiàn)溫度變形，如果變形受到約束，必將導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，從而降低構(gòu)件的承載能力和耐久性能[4]。因此，為保證大體積混凝土的質(zhì)量，施工過程中定時(shí)定點(diǎn)測(cè)溫，嚴(yán)格監(jiān)測(cè)內(nèi)表溫差、內(nèi)部最高溫升、降溫速率等指標(biāo)變化，適時(shí)采取調(diào)整澆筑方式、改變配比、潮濕養(yǎng)護(hù)、覆蓋保溫等溫控措施是防裂的關(guān)鍵[5]。

目前，大體積混凝土工程的測(cè)溫系統(tǒng)多采用有線傳輸?shù)男切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，即一個(gè)數(shù)據(jù)控制中心用電纜連接多個(gè)采集單元（圖1）。由于工程規(guī)模大，通常需要布置成千上萬的測(cè)溫點(diǎn)，有線傳輸?shù)姆绞匠杀据^高。而且，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，各種材料和機(jī)械的堆放與轉(zhuǎn)運(yùn)均有可能破壞傳輸線纜，造成測(cè)溫監(jiān)控工作中斷，數(shù)據(jù)缺失。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，越來越多的新技術(shù)開始應(yīng)用于傳統(tǒng)行業(yè)和領(lǐng)域中[6]。吳俊彥（2016）[7]提到采用自帶微機(jī)接口聲光警報(bào)功能的智慧巡回檢測(cè)儀采集混凝土內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器數(shù)據(jù)的方法。石迎新（2014）[8]介紹了基于GPRS 技術(shù)的無線遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)在南盤江特大橋拱座混凝土施工中的應(yīng)用。錢立志等（2018）[9]提出了LoRa 技術(shù)在大體積混凝土測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 大體積混凝土測(cè)溫儀

但在上述技術(shù)方案中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)僅用于測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，其測(cè)溫終端溫度數(shù)據(jù)的采集仍采用有線方式。為了提高測(cè)溫工作的安全性和可靠性，本文開發(fā)了基于Wi-Fi 技術(shù)的大體積混凝土無線測(cè)溫系統(tǒng)，在溫度傳感器上加裝Wi-Fi 模組實(shí)時(shí)采集混凝土內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)，構(gòu)建高效無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)提高了密集多點(diǎn)測(cè)溫的便利性，有效降低了測(cè)溫工作的人工工時(shí)、線纜成本和施工難度。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

無線測(cè)溫系統(tǒng)由溫度采集終端、溫度數(shù)據(jù)集中器、溫度監(jiān)控中心三個(gè)部分構(gòu)成（圖2）。溫度采集終端和溫度數(shù)據(jù)集中器通過Wi-Fi 進(jìn)行通信。溫度采集終端使用DS18B20 溫度傳感器，采用總線式連接降低成本，即將多個(gè)傳感器并聯(lián)到一條混凝土預(yù)埋線上。溫度采集終端的MCU（Micro Control Unit，微控制器單元）采用帶Wi-Fi 功能的SoC 模塊ESP8266，兼顧溫度傳感器控制和Wi-Fi 通信的功能。采集終端的組網(wǎng)模式為AP（Access Point）+STA（Station），子網(wǎng)傳輸距離以200m 為限。溫度數(shù)據(jù)集中器負(fù)責(zé)整合數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到公網(wǎng)，設(shè)計(jì)了Windows 和Android 兩種版本，使用UART 和Wi-Fi 接口，在PC端和手機(jī)端同步接收。溫度監(jiān)控中心是最終的數(shù)據(jù)整合端，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控混凝土內(nèi)部的溫度變化，并對(duì)溫度檢測(cè)值進(jìn)行存儲(chǔ)、整理、分析等。

圖2 基于Wi-Fi 技術(shù)的無線測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述測(cè)溫系統(tǒng)的有效性，制作了規(guī)格為1000mm×20mm×25mm 的鋼質(zhì)測(cè)溫試驗(yàn)槽。首先將硅橡膠加熱片平鋪在鋼槽底部，然后將溫度采集終端與針式溫度計(jì)綁定平放其中，填滿中沙，以模擬大體積混凝土內(nèi)部的溫度變化過程。

2.1 材料和組件檢測(cè)

首先，檢測(cè)加溫材料- 硅橡膠加熱片的性能：

（1）隨機(jī)選取4 張硅橡膠加熱片，編號(hào)1、2、3、4。

（2）分別設(shè)定加熱目標(biāo)溫度為75℃、80℃、90℃、100℃，通電加熱。

（3）經(jīng)過充分加熱后，用針式溫度計(jì)測(cè)試4 張硅橡膠加熱片的溫度分別為75℃、83℃、89℃、101℃?？梢?，以硅橡膠加熱片為熱源能夠有效模擬混凝土的溫升過程。

其次，檢測(cè)無線監(jiān)測(cè)組件的性能。將溫度采集終端放置于不同位置，通過PC 端和手機(jī)端的溫度監(jiān)控中心采集了數(shù)據(jù)，確認(rèn)無線測(cè)溫系統(tǒng)的組件工作正常。

2.2 數(shù)據(jù)采集及分析

進(jìn)行了兩組測(cè)試，分別對(duì)應(yīng)低溫區(qū)間和高溫區(qū)間。溫度采集終端的預(yù)埋深度為10cm。在硅橡膠加熱片開啟一段時(shí)間后，每隔3 分鐘進(jìn)行一次溫度采集，同時(shí)讀取針式溫度計(jì)讀數(shù)和溫度監(jiān)控中心數(shù)據(jù)，總測(cè)試時(shí)長(zhǎng)60 分鐘，數(shù)據(jù)如圖3。對(duì)比針式溫度計(jì)讀數(shù)和溫度監(jiān)控中心接受到的溫度數(shù)據(jù)，低溫區(qū)間兩者相對(duì)誤差1.23%～2.33%，高溫區(qū)間兩者相對(duì)誤差0.10%～1.65%，說明本文開發(fā)的無線測(cè)溫系統(tǒng)工作穩(wěn)定，傳輸可靠。

圖3 溫度測(cè)試過程

3 結(jié)論

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于大體積混凝土的溫控工作中，開發(fā)了基于Wi-Fi 技術(shù)的無線測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全程無線采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理混凝土內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)，有效降低了測(cè)溫工作的成本和施工難度，具有良好的工程應(yīng)用前景。通過測(cè)溫實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，后期開發(fā)將集中于定時(shí)設(shè)置、閾值響應(yīng)和封裝設(shè)計(jì)。

致謝：衷心感謝蔣學(xué)煉和張娜老師對(duì)本論文提出的寶貴意見；衷心感謝譚君福同學(xué)在系統(tǒng)開發(fā)過程中提供的支持。