基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧型滲水儀設(shè)計(jì)及開發(fā)

王文剛

(安徽省交控建設(shè)管理有限公司，安徽 合肥 230000)

1 引 言

當(dāng)前，瀝青路面在公路交通運(yùn)輸中的應(yīng)用日益廣泛。路面施工不均勻會(huì)導(dǎo)致瀝青路面力學(xué)性能和使用性能降低，縮短道路使用壽命[1]。路面的滲水性能及其使用壽命與行車安全密切相關(guān)[2]，監(jiān)測(cè)路面抗?jié)B能力已成為當(dāng)前公路建設(shè)中的重要任務(wù)[3]。目前，滲水儀數(shù)據(jù)的記錄大多采用人工計(jì)時(shí)和讀取，誤差較大[4]，滲水系數(shù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)波動(dòng)大，準(zhǔn)確性差[5]。

本研究在國(guó)內(nèi)已有試驗(yàn)檢測(cè)信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，開展智慧型滲水儀的開發(fā)及應(yīng)用研究。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為保證瀝青路面滲水系數(shù)檢測(cè)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性，提高試驗(yàn)檢測(cè)效率，提供技術(shù)支持。

2 智慧型滲水儀硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)檢測(cè)需求，確定儀器需要采集并上傳的數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)提供的方式。再根據(jù)儀器使用的環(huán)境及條件確定網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，同時(shí)對(duì)儀器的內(nèi)部電路板以及其他硬件設(shè)備進(jìn)行改造。

2.1 智慧型滲水儀網(wǎng)絡(luò)傳輸

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及儀器自身的特點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)化改造，還應(yīng)考慮用戶對(duì)低功耗、海量連接、超強(qiáng)覆蓋和低成本的需求[6]，從而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的選擇。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系一般包括信息感知、傳輸、處理及共性支持技術(shù)，基本特征可概括為整體感知、可靠傳輸和智能處理[7]。其中，可靠傳輸是通過對(duì)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳送，以便信息交流、分享。目前，這類無(wú)線通信方面的主要技術(shù)包括紅外IrDA、Wi-Fi、藍(lán)牙、蜂窩移動(dòng)通信以及ZigBee技術(shù)等。對(duì)幾種通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比[8-10]

根據(jù)表1中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)檢測(cè)儀器需要無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，智慧型滲水儀可選擇應(yīng)用藍(lán)牙和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。但施工現(xiàn)場(chǎng)多處于偏僻區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋情況不穩(wěn)定， 因此， 智慧型滲水儀選擇通過藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)至手機(jī)或平板移動(dòng)終端，檢測(cè)人員可在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳。

2.2 智慧型滲水儀硬件改造

通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的研究，智慧型滲水儀采用藍(lán)牙方式傳輸數(shù)據(jù)，需要根據(jù)智慧型滲水儀使用的功能需求對(duì)設(shè)備的主電路板等硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，從而實(shí)現(xiàn)儀器的智慧化。

傳統(tǒng)滲水儀手動(dòng)開關(guān)閥門時(shí)，由于試驗(yàn)人員施力不可控，滲水儀側(cè)面因受到不均衡壓力作用而傾斜，與路面間的密封面破損，導(dǎo)致漏水。為了降低閥門內(nèi)徑局部阻力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，將傳統(tǒng)滲水儀的手動(dòng)開關(guān)閥更換為型號(hào)為YCSM31 11 11 4GBV,A,SA11B 4的常閉電磁閥，具體參數(shù)為：直動(dòng)式10mm通徑、內(nèi)接口G螺紋1/2″、線圈型號(hào)SA11B、DC12V電壓。應(yīng)用電磁閥消除了這種破壞性因素，同時(shí)便于實(shí)施自動(dòng)控制[11]。

經(jīng)調(diào)查，部分研究人員開發(fā)的滲水裝置以eType電阻式液位傳感器測(cè)量液位高度[12]。本文研究的智慧型滲水儀考慮以高精度流量傳感器測(cè)量水流。這2種方法均能測(cè)量體積變化，但差別較大。高精度流量傳感器測(cè)量參數(shù)為齒輪流量，即根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)流通的標(biāo)準(zhǔn)容積個(gè)數(shù)計(jì)量，而電阻式液位傳感器測(cè)量參數(shù)為高度。對(duì)于相同位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換電路，齒輪每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容積相當(dāng)于0.25mL水流，高精度流量傳感器最小分辨率相當(dāng)于0.5mm；而電阻式液位傳感器最小分辨率為1mm。高精度流量傳感器為數(shù)字式傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換，通過串口直接獲取數(shù)據(jù)，性價(jià)比高且速度較快。

經(jīng)過硬件改造后的智慧型滲水儀各部件如圖1所示，具體技術(shù)要求見表2。

(a)智慧型滲水儀外部示意圖

表2 智慧型滲水儀技術(shù)要求

利用智慧型滲水儀進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，OLED顯示屏?xí)@示試驗(yàn)時(shí)間、滲水系數(shù)、電量、是否開啟藍(lán)牙等，可通過屏幕下方的啟動(dòng)、停止、復(fù)位按鈕控制試驗(yàn)開始、停止及校核。滲水儀的盛水量筒表面刻有以“mL”為單位的標(biāo)尺，量筒下方導(dǎo)管由電磁閥開關(guān)控制水流。當(dāng)量筒中的水流入開關(guān)下方的高精度流量計(jì)時(shí)， 流量計(jì)內(nèi)齒輪每旋轉(zhuǎn)一圈水流出0.26/0.25mL。將流量通過傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、記錄后顯示在屏幕上。

OLED屏背部為主電路板，定位模塊、藍(lán)牙傳輸模塊均集成在主電路板上，電磁閥開關(guān)、高精度流量傳感器則是通過連接線與主電路板連接。試驗(yàn)人員通過智能終端控制智慧型滲水儀，設(shè)備通過藍(lán)牙與移動(dòng)終端進(jìn)行信號(hào)交互，完成操作命令，并傳輸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再通過智能終端上傳至遠(yuǎn)程終端。

3 智慧型滲水儀軟件設(shè)計(jì)

智慧型滲水儀需要控制端軟件配合完成自動(dòng)化試驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)采集。智慧型滲水儀與移動(dòng)終端通過滲水檢測(cè)APP進(jìn)行藍(lán)牙連接后，所有的操作均在控制終端軟件的滲水系數(shù)試驗(yàn)檢測(cè)界面中完成。滲水檢測(cè)APP操作界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

(a)試驗(yàn)信息填寫

在滲水檢測(cè)APP界面填寫好試驗(yàn)基礎(chǔ)信息(如樁號(hào)、檢測(cè)依據(jù)等)并提交后，即可以準(zhǔn)備開始試驗(yàn)。開始試驗(yàn)前先進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)和時(shí)間校準(zhǔn)，調(diào)整高精度流量計(jì)的每轉(zhuǎn)流量，將顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際量筒中水位下降體積對(duì)應(yīng)，校準(zhǔn)后開始試驗(yàn)。點(diǎn)擊系統(tǒng)的“準(zhǔn)備試驗(yàn)”，滲水儀接到命令水會(huì)流出。當(dāng)量筒中水下降至100mL時(shí)，點(diǎn)擊“停止”。點(diǎn)擊“開始”，正式開始滲水試驗(yàn)。當(dāng)3min時(shí)間滲水量未到400mL，這時(shí)儀器自動(dòng)停止?jié)B水，點(diǎn)擊“3min滲水量”右側(cè)的圖標(biāo)獲取數(shù)據(jù)；當(dāng)滲水時(shí)間未到3min，滲水量達(dá)到400mL，這時(shí)儀器也將自動(dòng)停止?jié)B水，點(diǎn)擊獲取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)即可記錄本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果試驗(yàn)需要增加組數(shù)時(shí)，直接點(diǎn)擊滲水系數(shù)的“+”即可增加獲取數(shù)據(jù)的頁(yè)面，重復(fù)樁號(hào)等信息，然后重復(fù)以上步驟即可，操作至此試驗(yàn)結(jié)束，點(diǎn)擊提交數(shù)據(jù)。

滲水檢測(cè)APP遠(yuǎn)程控制滲水儀電磁閥開關(guān)狀態(tài)，并根據(jù)高精度流量傳感器獲得水流數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接收監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)，再通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳至管理平臺(tái)。

4 工程應(yīng)用

目前，安徽合樅高速公路已應(yīng)用智慧型滲水儀得到相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)平臺(tái)中的滲水系數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)智慧型滲水儀的應(yīng)用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

應(yīng)用智慧型滲水儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)(如圖3所示)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示在電子屏中。試驗(yàn)人員在儀器自動(dòng)滲水3min后獲取數(shù)據(jù)，更換檢測(cè)點(diǎn)即可開始下一個(gè)平行試驗(yàn)。從滲水儀開始檢測(cè)至完成試驗(yàn)，試驗(yàn)人員僅需輸入基礎(chǔ)試驗(yàn)信息，其余操作均在移動(dòng)終端上點(diǎn)擊按鈕實(shí)現(xiàn)滲水系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的上傳。而傳統(tǒng)滲水系數(shù)檢測(cè)，在相鄰兩組試驗(yàn)的間隔時(shí)間，則需進(jìn)行人工記錄，或先保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，等所有試驗(yàn)結(jié)束后再進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

圖3 智慧型滲水儀現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過使用智慧型滲水儀，省去了原本需要試驗(yàn)人員計(jì)時(shí)、控制水流、計(jì)算滲水系數(shù)的步驟，現(xiàn)在僅需1人在智能終端進(jìn)行操作即可完成試驗(yàn)，降低了人員方面的成本。

智慧型滲水儀滲水系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析界面如圖4所示，從試驗(yàn)管理平臺(tái)中可以查看滲水系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)電子記錄表，表中記錄有試驗(yàn)樁號(hào)、工程部位等數(shù)據(jù)；可以清晰地查看滲水系數(shù)合格情況，以及根據(jù)定位信息獲得的斷面分布情況等。

(a)智慧型滲水儀試驗(yàn)記錄表

應(yīng)用智慧型滲水儀能夠?qū)⒙访媸┕べ|(zhì)量與試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，及時(shí)反映施工質(zhì)量，減少試驗(yàn)檢測(cè)人員人工記錄或后期整理數(shù)據(jù)的工作量，避免了試驗(yàn)人員在記錄或整理數(shù)據(jù)時(shí)的失誤，提升了檢測(cè)效率，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滲水系數(shù)試驗(yàn)檢測(cè)的需求，開發(fā)了基于藍(lán)牙通信的智慧型滲水儀，能夠解決在瀝青路面滲水性檢測(cè)中傳統(tǒng)滲水儀測(cè)定方法的弊端，不需要人工讀取和記錄測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)可自動(dòng)記錄并通過藍(lán)牙傳輸?shù)叫畔⒒芾碓破脚_(tái)，減少人為因素產(chǎn)生的誤差，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化檢測(cè)流程，提升檢測(cè)效率，并能夠減少試驗(yàn)人員，從而節(jié)約檢測(cè)成本。