基于GPRS的预制梁喷淋养生自动控制系统

摘 要：针对传统预制梁喷淋养生存在质量监测和控制的问题，结合单片机技术、GPRS无线通信技术以及传感器技术，设计了基于单片机、GPRS无线网络的预制梁喷淋养生自动控制系统。该系统能够实现预制梁喷淋作业的自动控制，并利用互联网技术和网络数据库技术将监控中心的数据到广域网，使工作人员可以通过Web浏览器或客户端对预制梁的养生情况进行远程监控和调度指挥。

关键词：自动喷淋养生；预制梁；GPRS无线网络；监控系统

中图分类号：U445.47 文献标志码：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

预制梁是高速公路和铁路的重要组成部分，在交通建设中被大量使用，目前中国铁路和公路预制梁喷淋的养护方式主要是靠人工操作完成，劳动力投入相对较大[14]。 操作过程中由于养护工人的工作态度和质量意识不强，常常出现漏养现象，使预制梁翼板易产生裂纹，形成质量通病；且人工操作会不可避免地出现疏忽和数据记录不全等缺点，导致预制梁喷淋养生的养护不到位，人工记录数据的成本又比较高，增加了项目建设的成本[57]。

为了解决目前存在的问题，本文开发了基于GPRS无线数据通信的预制梁喷淋养生自动控制系统。通过现场安装的STM32和TFTLCD触摸屏对水泵和电磁阀进行控制和监测，实现喷淋养生的自动控制，避免人工养生带来的高额费用和较大误差。通过GPRS无线数据通信将现场采集的喷淋信息传送到中心数据库，管理人员可以远程观察到各个梁场的喷淋情况，并进行相应的远程操作，实现预制梁喷淋养生的远程监测和控制。

1 系统总体方案设计

自动控制系统主要是由喷淋养生现场自动控制子系统、GPRS数据远程传输子系统、数据采集和管理子系统3部分组成，系统的网络拓扑如图1所示。

各个梁场的喷淋养生信息通过GPRS无线网络传输到监控中心，管理处具有最高权限，可以查询和监控各个合同段梁场的养护信息，合同段可以根据各自的权限通过客户端或Web浏览器对梁场的喷淋养生信息进行监测和控制，从而实现了梁场的标准化和精细化管理[89]。

2 现场自动控制子系统硬件设计

预制梁喷淋养生的现场自动控制子系统是整个系统的核心部分，由微处理器、人机模块、传感器输入、执行器输出、通信模块5部分组成，如图2所示。

微处理器采用STM32F103x8型号单片机作为自动控制系统的核心，其既可以与LCD触摸屏联机工作，也可以独立按设定的工况工作。通过微处理器可以在计算机终端或LCD触摸屏设定喷淋时间、循环间隔时间、梁的型号，选择需要养护的台座，同时显示实时工作状态，对电磁阀和水泵进行控制，实现预制梁喷淋养生的自动控制。

人机模块的主控元件为LCD触摸屏和手动按键。LCD触摸屏既可以设置系统工作状态，还可以监控系统的运行状况。当LCD触摸屏出现故障时，也可以选择手动控制模式。这种双模式的设计有效地保证了系统运行的可靠和安全[10]。

温湿度传感器是现场自动控制系统的重要组成部分，它们的信号输入端和输出端与STM单片机相接。采用电磁继电器作为执行器输出的控制元件，以ULN2803反向驱动器对继电器进行驱动，通过控制电磁阀来实现水泵的开闭。

现场用到的无线网络通信方式有GPRS、WIFI、蓝牙等，它们都可以对系统进行控制。本自动喷淋养生系统采用GPRSDTU的通信模块，STM32单片机与GPRSDTU进行数据交互，将数据以数据包的形式打包发送到远端的中心数据库，通过数据管理系统供施工质量监理人员查看，同时管理人员也可以通过GPRSDTU向现场下发命令。设计的通信模块的电路连接原理如图3所示。

3 现场自动控制子系统软件设计

喷淋养生自动控制系统的软件层面主要是由传感器输入信号转换模块、GPRS无线通信模块、LCD触摸屏模块和喷淋控制模块构成。每一个模块的控制流程和控制方法都不相同，因此要根据系统所选用的硬件和现场的实际情况编写相应的程序。自动喷淋养生控制系统的工作流程图如图4所示。

在喷淋养生控制过程中，控制程序先从温湿度一体传感器中读取现场的温度和湿度；控制程序会将温度和湿度数值代入混凝土最佳含水量的经验公式和混凝土含水量蒸发速率公式，推算喷淋所需的水量；通过管路的流量和压力等信息计算喷淋的时长，使继电器对电磁阀进行操作。当控制系统计算出某一时间段内的水分蒸发速率使预制梁达到了最佳含水量下限的时候，自动打开继电器开始喷淋，喷淋时间满足计算的时长后关闭电磁阀。继电器开启和关闭的时间将暂存于单片机存储单元中，调用通信模块将数据传输到数据服务器。

在控制系统中，根据混凝土最佳含水量经验公式（1）计算出实时的喷淋面所需的最佳喷水量，从而由混凝土含水量蒸发速率公式（2）计算得出该喷水情况下的蒸发速率，再根据这2项与温度和湿度相关的参数折算出电磁阀开启的时间。

式中：W为加权的最佳含水量；WS为标准养生情况下的最佳含水量；φ为实时相对湿度；t为实时温度；E为喷水时的蒸发速率；Tc为混凝的土温度；Ta为气温；r为相对湿度；V为风速。

4 GPRS数据远程传输子系统设计

现场无线传输模块包括WIFIDTU传输和GPRSDTU传输2部分。WIFIDTU传输主要是解决现场人员用便携式设备对喷淋控制箱进行远程控制；GPRSDTU传输模块将喷淋信息传送到中心数据库，便于管理处和合同段的工作人员对梁场进行远程控制。

本系统中的GPRSDTU模块选择宏电H7710工业级DTU，该模块的RS485串行数据接口与STM32的串口连接。GPRS与监控中心通信过程如下：将DTU模块连接在电脑上，在GPRSDTU中写入监控中心静态IP端口号、协议方式、通讯参数以及SIM卡号；当现场安装的GPRSDTU通电后，从模块内部Flash中读取配置参数，就可以进行GPRSPPP拨号获得一个内网的IP地址；GPRSDTU通过移动网关向数据中心发起TCP请求，当数据链路建立成功后，便实现了数据的双向通信；中心数据库根据所识别的身份信息将命令发送给DTU，DTU将接收到的TCP/IP协议包进行解析并通过RS485接口传输给STM32，STM32根据接收的命令对设备进行相应的控制；当STM32将喷淋信息反馈回GPRSDTU后，GPRSDTU把串口数据转换成TCP/IP协议包数据发送到GPRS网络上，这样喷淋养生信息就通Internet发送到监控中心IP网络服务器中，再通过端口映射将数据发送到计算机客户端；在联网的电脑上可以下达相应命令，该命令通过虚拟转发软件将串口数据转换为网络数据包下传到DTU中，DTU经过对数据包的解析，完成对STM32控制命令的下达。GPRSDTU与监控中心通讯过程如图5所示。

GPRS无线网络作为中心服务器，是各个预制梁场控制系统之间数据传送的媒介。监控中心通过GPRSDTU实现对各预制梁场设备的运行情况进行监测，也可以通过GPRSDTU对STM32下达命令，这种模式有效地实现了预制梁的自动化控制和标准化管理。

5 数据采集和管理子系统设计

施工现场数据的接收与远程控制等操作主要是由管理系统软件来完成。目前的软件架构有B/S和C/S两种，2种架构在上位机软件系统的搭建、运行以及维护过程中具有不同的特点。本系统采用B/S网络架构，数据采集和管理软件以Microsoft Visual Studio 2008为平台，通过软件开发商提供的ADO、DATASET等VCL组件，对中心数据库进行访问。其主要任务是实现对各个标段的梁场设备运行监控，数据的采集、存储、分析，历史数据的查询以及提取需要的生产报表、网页等。在管理处和合同段的计算机客户端的浏览器输入制定的网址，就可以进行喷淋养生系统的登录和相关操作。Web服务器为中间平台，能够实现各项命令与后台服务器的实时交互操作；收到的信息被后台数据库解码转换，然后数据服务器将处理结果反馈回Web服务器端，最后数据结果将以网页的形式呈现在用户面前。图6为B/S架构的三层服务结构图。

数据采集和管理软件的具体功能如下。

（1）在线监控。配合现场监控图像，实时对预制梁场的工作情况进行辅助管理，可以在控制中心对现场输入的预制梁场信息和预制梁信息进行编辑与修改，保证每一个预制梁号的唯一性；当现场人为疏忽导致养生没有及时开始的情况时，后台人员可以与现场人员及时沟通或远程启动相应的操作。

（2）显示报表。显示预制梁进入养生阶段的开始时间，并记录养生阶段的实时环境温度、湿度、相应的喷淋时间和此时刻的含水量，以确保养生的预制梁处于最佳养生状态，如图7所示。

（3）合理调度。能实时并且直观的显示处于养生阶段预制梁的信息、预制梁台座的使用情况，从而协助生产调度人员合理规划和安排喷淋养生作业台座资源的使用。

（4）历史查询和统计。对喷淋的历史数据进行查询，查询的历史数据会以柱状图的形式显示，这样有助于质量监理人员对已经生产完成的预制梁进行数据统计和分析。

（5）报警功能。一旦发现某个梁场的喷淋参数设置错误或者设备出现故障，组态软件会向相关的值班人员发送相应的报警信息，必要时可以发送命令远程中止梁场喷淋系统的运行。

6 结 语

本文采用了传感器、GPRS无线通信和单片机等多种技术，设计了预制梁喷淋养生的自动控制系统，以STM32单片机为核心的微处理器实现对梁场的喷淋信息进行自动控制。通过GPRS无线通信技术将现场和后台有机的结合，后台服务器将喷淋数据信息直观地展现；用户通过客户端或网页可以对预制梁喷淋进行有效的管理，从而有效地保证了预制梁的质量。

预制梁喷淋养生自动控制系统利用现代化物联网技术思想，把现场实时控制与远程监控结合为一体，实现了预制梁喷淋养生的自动化控制，保证了历史数据的真实可靠，对公路和铁路的安全运营有重大的现实意义。

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