基于智能顆粒的瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)力感知監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于紅艷，潘 芳，王力揚(yáng)

1.江蘇省交通運(yùn)輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210000

2.江蘇東交智控科技有限公司，江蘇 南京 210000

智能顆粒能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測瀝青面層的溫度、內(nèi)部受到的正應(yīng)力、大地坐標(biāo)下的三維歐拉角、剪應(yīng)變和高精度三軸加速度，可通過低功耗藍(lán)牙技術(shù)或其他通信協(xié)議與便攜式接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可通過遠(yuǎn)程控制路邊信號(hào)采集器（STRDAL GLOBAL）將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端便于用戶實(shí)時(shí)查詢。

1 系統(tǒng)硬件功能模塊設(shè)計(jì)

1.1 傳感器模塊

（1）數(shù)據(jù)模塊：由CPU、三軸耐高溫應(yīng)力片、三軸加速度傳感器、三軸磁力器和溫度計(jì)模塊組成，該模塊可以準(zhǔn)確了解瀝青面層的結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力、變形、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的情況。

（2）通信模塊：采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)將數(shù)據(jù)模塊采集到的數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)并接受用戶指令，低功耗藍(lán)牙技術(shù)采樣率高，傳輸距離較長，功耗低便于航距離、長時(shí)間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

（3）電源模塊：為了承受路面攤鋪過程中的高溫環(huán)境，采用耐高溫鋰錳電池，保證傳感器可以長期實(shí)時(shí)工作。

1.2 遠(yuǎn)程控制路邊信號(hào)采集器模塊

遠(yuǎn)程控制路邊信號(hào)采集器（STRDAL GLOBAL）是一款配合Smart Rock用于戶外接收、運(yùn)算處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和云端大數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)超級(jí)終端，支持多種供電方式，可根據(jù)現(xiàn)場情況配置220V電源、110V電源、自帶電源、太陽能供電、風(fēng)力供電等；支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，可根據(jù)現(xiàn)場情況配置 WLAN、Wi-Fi、3G（CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA）、4G（TD-LTE、FDD-LTE）等。

（1）主運(yùn)算單元性能參數(shù)：MCU四核1900處理器，根據(jù)現(xiàn)場情況定制型號(hào)，配套M100_6118板SOC板，2G、4G、64G存儲(chǔ)器，含多口USB、COM口、VGA口、MIC口等接口。

（2）供電單元性能參數(shù)：可選多種型號(hào)的蓄電池，或根據(jù)場景配置太陽能風(fēng)力發(fā)電等。

（3）轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存單元：110V、220V、12V等多種單元對(duì)主控單元MCU、太陽能、風(fēng)力發(fā)電等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視轉(zhuǎn)換，協(xié)調(diào)控制位系統(tǒng)。

（4）遠(yuǎn)程通信單元：根據(jù)現(xiàn)場情況配置多種模式，例如 BLE4.0 WLAN、Wi-Fi、3G（CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA）、4G（TD-LTE、FDD-LTE）等，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)可靠性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件界面外觀包含以下主要功能區(qū)域。

（1）串口連接：選擇藍(lán)牙設(shè)備串口進(jìn)行連接或斷開。

（2）數(shù)據(jù)顯示：實(shí)時(shí)顯示設(shè)備上報(bào)測量數(shù)據(jù)，包括角加速度、線加速度、磁場強(qiáng)度，同時(shí)顯示電池量和監(jiān)測溫度，還包括3D動(dòng)畫顯示的設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)。

（3）參數(shù)配置：設(shè)備各種工作參數(shù)的配置和讀取，如采樣率、上報(bào)數(shù)據(jù)速率、分辨率，量程、9軸數(shù)據(jù)選擇上報(bào)功能開關(guān)等。

（4）實(shí)時(shí)鐘偏差測量和補(bǔ)償：設(shè)備RTC時(shí)鐘校準(zhǔn)和補(bǔ)償。

（5）工作模式設(shè)置：實(shí)現(xiàn)設(shè)備復(fù)位、定時(shí)睡眠喚醒及震動(dòng)喚醒低功耗工作模式。

（6）在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存：將設(shè)備通過藍(lán)牙傳輸上報(bào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為PC上的數(shù)據(jù)文件，并計(jì)算輸出歐拉角和轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣數(shù)據(jù)文件。

（7）離線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：設(shè)置設(shè)備將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部Flash中，然后主機(jī)將設(shè)備Flash中保存的數(shù)據(jù)讀取并保存為數(shù)據(jù)文件。

2.2 系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示

GUI界面中間區(qū)域上部分為數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，顯示內(nèi)容包括設(shè)備溫度（Show Thermometer Graph）、電池電量（Battery Power）、三軸角速度（Show Gyroscope Graph）、三軸線加速度（Show Accelerometer）、磁場強(qiáng)度（Show Magnetometer）隨時(shí)間變化曲線、歐拉角曲線（Show Euler Angle）及3D動(dòng)畫顯示的設(shè)備運(yùn)動(dòng)姿態(tài)（Show 3D Cuboid）。實(shí)時(shí)姿態(tài)3D顯示界面如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)姿態(tài)3D顯示界面

3 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.1 耐高溫性能驗(yàn)證

將傳感器模塊置于瀝青混合料中，并放在烘箱內(nèi)進(jìn)行加熱，確保能夠采集到最高溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，目前測定的耐熱溫度為180℃。

3.2 溫度標(biāo)定功能驗(yàn)證

將智能顆粒和水銀溫度計(jì)置于瀝青混合料中，并放在烘箱內(nèi)進(jìn)行加熱，記錄智能顆粒和水銀溫度計(jì)的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)比兩者采集到的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的智能顆粒的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明智能顆粒與水銀溫度計(jì)測定溫度相差不大于0.2℃。

3.3 傳感器模塊黏附性驗(yàn)證

采用水煮法研究智能顆粒與瀝青黏附性能，試驗(yàn)表明智能顆粒黏附性等級(jí)為5級(jí)。

3.4 應(yīng)力測量準(zhǔn)確性驗(yàn)證

采用壓力測試機(jī)對(duì)智能顆粒應(yīng)力測量準(zhǔn)確性進(jìn)行測試，測試儀器為UT61B萬用表、XMT808-2壓力測試儀、筆記本電腦，測量結(jié)果表明智能顆粒應(yīng)力測量誤差在5%以下。智能顆粒應(yīng)力測量誤差如表1所示。

表1 智能顆粒應(yīng)力測量誤差

4 結(jié)束語

文章對(duì)智能顆粒軟硬件進(jìn)行了研究，智能顆粒是針對(duì)公路路面受力、變形監(jiān)測、路用性能預(yù)測等需求開發(fā)的超小型（19mm）耐高溫（180℃）高精度傳感器，具有良好的變形協(xié)調(diào)能力（黏附性5級(jí)）。智能顆粒能夠?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測參數(shù)，包括標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、溫度、路面三軸正應(yīng)力、三軸加速度、歐拉角及四元數(shù)，可利用低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）或其他通信協(xié)議傳送數(shù)據(jù)到便攜式接收器，或遠(yuǎn)程控制路邊信號(hào)采集器（STRDAL GLOBAL），實(shí)時(shí)上傳至云端儲(chǔ)存，供用戶隨時(shí)查看、下載。