CN106054726B - 基于物联网的移动喷淋车辆群控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于物联网的移动喷淋车辆群控系统及方法，包括若干辆喷淋车辆、喷淋状态采集模块、单片机；单片机安装在每辆喷淋车辆车身上；喷淋状态采集模块通过单片机和执行模块相连，执行模块连接喷淋车辆高压喷头上的电磁阀；单片机均与远程终端相交互；单片机连接电源模块；喷淋状态采集模块用于采集预制梁表面温度和湿度；单片机用于根据预制梁表面温度和湿度计算得到开启电磁阀的间隔时间和喷淋时长，并通过执行模块开启或关闭电磁阀。本发明能够实时采集预制梁表面温度和湿度，利于精确控制喷淋水量，保障喷淋效果，避免人为疏漏；本发明通过采用喷淋车辆，能够在梁场内移动，无需多次拆卸安装喷淋养生设备。

Description

基于物联网的移动喷淋车辆群控系统及方法

【技术领域】

本发明属于机械自动化控制与远程监控技术领域，具体涉及基于物联网的移动喷淋车辆群控系统及方法。

【背景技术】

混凝土，在建筑中经常被用到。为达到预定的结构和耐久性能，不但要重视混凝土的结构设计，同时还要加强混凝土浇筑后期的养护，使混凝土达到设计强度，提高工程实体的质量。对大型桥梁等重要大型混凝土预制件，在混凝土强度增长过程中，对养护有比较高的要求，一般要求几十分钟就要洒水养护一次。

目前实际的施工过程中，大部分施工地点仍沿用人工手动控制阀门开关的方法来控制预制梁喷淋养生，水泵的流量完全由经验控制，随机性和主观臆断性太强。第一，不能获得精确的养生水量，从而无法为喷淋面提供合适的水量。第二，经验控制无法保障喷淋效果，施工过程中，施工人员可能会出现各种人为的疏漏，例如忘记开启水泵导致预制梁处于缺水状态，进而影响强度的形成。另外，如果由于人为疏忽忘记关闭水泵，长期以往则会造成水电的浪费和对现场施工设备电子器件的损坏，引起成财产的损失。第三，由于施工沿线较长，架设梁场多，对现场预制梁进行养护，需要拆卸原预制梁厂上的喷淋养生设备安装在新的梁场进行养护，这种拆卸-转场-安装严重影响施工进度，增加施工人员劳动强度和施工成本。第四，养生记录没有保存，效果难以用具体数据进行统计，对喷淋养生的监督难以实现，不能对养生作业形成实时监控。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于物联网的移动喷淋车辆群控系统及方法，能够使用喷淋车辆对现场预制梁进行养护，喷淋精确且可以远程监控。

为了达到上述目的，本发明系统采用如下技术方案：

包括若干辆喷淋车辆、喷淋状态采集模块、单片机；单片机安装在每辆喷淋车辆车身上；喷淋状态采集模块通过单片机和执行模块相连，执行模块连接喷淋车辆高压喷头上的电磁阀；单片机均与远程终端相交互；单片机连接电源模块；

喷淋状态采集模块用于采集预制梁表面温度和湿度；

单片机用于根据预制梁表面温度和湿度计算得到开启电磁阀的间隔时间和喷淋时长，并通过执行模块开启或关闭电磁阀。

进一步地，单片机与用于获取喷淋车辆实时行驶速度和位置信息的喷淋车辆状态采集模块相连。

进一步地，喷淋车辆状态采集模块包括CAN总线通讯模块和GPS定位模块；单片机通过CAN总线通讯模块与喷淋车辆的CAN总线控制器相交互；单片机通过GPS定位模块与GPS卫星相连。

进一步地，喷淋状态采集模块包括分别与单片机相连的温度传感器和湿度传感器。

进一步地，执行模块包括相连的驱动器和用于控制电磁阀接通或切断的继电器，单片机连接驱动器；继电器采用电磁式继电器。

进一步地，单片机连接人机模块，人机模块包括手动按键和触摸屏控制器，触摸屏控制器与触摸屏相交互。

进一步地，单片机通过无线网络通讯模块与远程终端相交互；无线网络通讯模块包括GPRS无线网络通信模块和GSM无线网络通信模块；远程终端包括远程服务中心和手机，远程服务中心包括依次连接的GPRS无线网络通信模块、服务器和浏览器终端；其中无线网络通讯模块中的GPRS无线网络通信模块通过GPRS通讯网络连接接远程服务中心的GPRS无线网络通信模块，无线网络通讯模块中的GSM无线网络通信模块通过GSM通讯网络连接手机。

本发明方法采用如下技术方案：包括以下步骤：

步骤一：采集预制梁的温度和湿度，确定预制梁表面的实际含水率W以及水分蒸发速率E；

步骤二：根据实际含水率W以及水分蒸发速率E，计算开启喷淋车辆高压喷头上电磁阀的间隔时间T₀和喷淋时长T′；

步骤三：开启电磁阀，通过高压喷头对预制梁进行喷淋，直至喷淋时间满足步骤二计算的喷淋时长，关闭电磁阀。

进一步地，步骤一具体包括：

其中，W—实际含水率，％；

—实时相对湿度值，％；

W_s—标准养生情况下的最佳含水率，％；

t—实时温度值，℃；

E＝5[(t+18)^2.5-r(T_a+18)^2.5](V+4)×10^-6

式中：E—蒸发速率，kg/m²·h；T_c—混凝土温度，℃；T_a—气温，℃；r—空气的相对湿度；V—风速，kph。

进一步地，步骤二中，

其中L为最大单位含水量，单位kg/m²；W_s—标准养生情况下的最佳含水率，％；在T₀＞0时，间隔T₀时间后重复喷淋；在T₀≤0时，直接进行喷淋；

其中W′为设定含水率，S为预制梁的喷淋面积，单位m²，ρ为喷淋水的密度，单位kg/m³；Q为流量，单位m³/s。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过设置喷淋状态采集模块，能够实时采集预制梁表面温度和湿度，并传送给喷淋车辆车身上的单片机，单片机根据预制梁表面温度和湿度计算得到开启电磁阀的间隔时间和喷淋时长，并通过执行模块启动电磁阀，从而开启喷淋车辆的高压喷头对预制梁进行喷淋，直至满足设定条件。本发明通过实时采集预制梁表面温度和湿度，利于精确控制喷淋水量，保障喷淋效果，避免人为疏漏；本发明通过采用喷淋车辆，能够在梁场内移动，无需多次拆卸安装喷淋养生设备，节约成本，使用方便；同时本发明中的单片机连接远程终端，单片机能够将各种数据上传给远程终端保存，通过远程终端实现数据统计和实时查询，便于远程监控，且在异常工况下远程终端可以给单片机发出强制停机的指令。

进一步地，本发明通过设置喷淋车辆状态采集模块，能够采集喷淋车辆实时行驶速度和位置信息，并传送给单片机，单片机能够判断是否超速以及是否超出设定区域，并在超速或超出设定区域时将判断结果传送给远程终端，通过远程终端报警；且利于根据位置信息来调用距离待喷淋预制梁最近的喷淋车辆，节约成本。

进一步地，本发明通过设置人机模块，能够实现自动喷淋模式或手动模式。

本发明群控方法简单，能够根据养生任务动态组织喷淋车辆，合理优化施工调度和集团管理，实现资源的最优配置，使作业效率和施工质量达到最佳状态，优化喷淋车辆之间的协同作业能力，不但缩短了施工周期，还优化了资源的配置，降低施工成本的目的，为承建单位带来良好的经济效益。

【附图说明】

图1是本发明的主体框架连接示意图。

图2是本发明的细化框架连接示意图。

图3是本发明的梁场喷淋车辆集群监控组网示意图。

图4是本发明电磁阀控制流程框图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1和图2，本发明包括车载控制端、无线网络、远程终端、用于采集预制梁温度和湿度的喷淋状态采集模块和执行模块；车载控制端安装在每辆喷淋车辆车身上，包括盒体以及安装在盒体内的喷淋车辆状态采集模块、电源模块、MCU单片机、无线网络通讯模块和人机模块；MCU单片机分别与无线网络通讯模块和人机模块相交互，无线网络通讯模块通过无线网络和远程终端相交互；MCU单片机连接电源模块，电源模块用于为车载控制端提供所需的稳定电压。

喷淋状态采集模块、MCU单片机和执行模块依次相连，执行模块连接喷淋车辆高压喷头上的电磁阀。喷淋状态采集模块包括分别与单片机相连的温度传感器和湿度传感器，采集实时喷淋数据传递给MCU单片机，MCU单片机读取处理信息后下达指令给执行模块。通过检测预制梁表面的温度和湿度确定预制梁腹板表面的实际含水率以及水分蒸发速率，保证在养生期间的预制梁时刻处于含水率始终在最佳含水率之上，具体如下：

其中，W实际含水率，(％)；

—实时相对湿度值，(％)；

W_s—标准养生情况下的最佳含水率，(％)，喷淋面含水率在10％左右时最为合适，这里取10％；标准养生条件为温度20±2℃，相对湿度大于95％。

t—实时温度值，(℃)；

E＝5[(t+18)^2.5-r(T_a+18)^2.5](V+4)×10^-6

式中：E—蒸发速率，kg/m²·h；

T_a—气温，℃；r—空气的相对湿度；V—风速，kph；

计算喷淋间隔时间T₀，L为最大单位含水量，单位kg/m²。在T₀＞0时，间隔T₀时间后重复喷淋；在T₀≤0时，表明该预制梁实际含水率低于最佳含水率，喷淋车辆直接到达该预制梁处进行喷淋。

计算喷淋时长T′，其中W′为设定含水率，S为预制梁的喷淋面积，单位m²，ρ为喷淋水的密度，单位kg/m³；L为最大单位含水量，单位kg/m²；Q为流量，单位m³/s。

单片机与喷淋车辆状态采集模块相连，喷淋车辆状态采集模块用于获取喷淋车辆工作状态信息和位置信息。喷淋车辆状态采集模块包括CAN总线通讯模块和GPS定位模块；单片机通过CAN总线通讯模块与本发明所应用的喷淋车辆的CAN总线控制器相交互，CAN总线通讯模块用于接收喷淋车辆CAN总线控制器上的喷淋车辆的工作状态信息，包括喷淋车辆的实时行驶速度、开启信息等，并将接收到的信息发给MCU单片机，同时将从MCU单片机接收到的指令信息传送给喷淋车辆CAN总线控制器；单片机通过GPS定位模块与GPS卫星相连，GPS定位模块用于采集GPS数据以获取喷淋车辆地理位置信息，并将采集到的数据传送给MCU单片机。

执行模块包括相连的驱动器和用于控制电磁阀接通或切断的继电器，单片机连接驱动器。其中，喷淋驱动器是喷淋作业的控制中枢，根据梁场现场的环境温度、湿度，计算开启和关闭喷淋电磁阀的时间，电磁阀控制高压喷头保证梁体表面始终处于湿润的状态。继电器采用电磁式继电器，其组成元件包括通电后产生磁场的线圈、铁芯、衔铁以及使触点能够在没有信号的情况下自动归位的触点簧片等。当继电器的线圈上有持续的电流通过，由于电磁效应，就会在衔铁上产生相应的电磁力。当线圈上的电流消失，触点就会在簧片的弹力作用下归位。继电器的动作可以使电磁阀接通或是切断，来控制高压喷头的流量。

单片机连接人机模块，人机模块包括手动按键和触摸屏控制器，触摸屏控制器与LCD触摸屏相交互。其中，LCD触摸屏是在系统处于自动喷淋模式时的主控元件，可以设置系统工作状态，监控系统运行情况，查询系统运行历史参数等，是操作人员与系统进行交互的主要元件。手动按键是自动喷淋系统处于手动工作状态下的主要控制元件，可以完成对系统运行的控制，配合LCD触摸屏可以监测系统运行状态和完成对控制系统内部信息进行查询和输出等功能。

单片机通过无线网络通讯模块与远程终端相交互；无线网络通讯模块包括GPRS无线网络通信模块和GSM无线网络通信模块。

远程终端包括远程服务中心和手机，远程服务中心用于对数据进行接收、存储、分类，包括依次连接的GPRS无线网络通信模块、服务器和浏览器终端；其中无线网络通讯模块中的GPRS无线网络通信模块通过GPRS通讯网络连接接远程服务中心的GPRS无线网络通信模块，无线网络通讯模块中的GPRS无线网络通信模块将采集到的数据发送至远程服务中心，并将远程服务中心传送的信息发送给MCU单片机；远程服务中心的GPRS无线网络通信模块将接收到的数据通过ODBC接口存入服务器中的SQL数据库，浏览器终端的服务平台通过ODBC接口与SQL数据库通信，实现喷淋现场的监控数据和其他监控诊断分析。同时实现各级用户在任何地方通过连接Internet的计算机使用用户名和密码登陆服务器网站，查询喷淋车辆的实时信息并进行远程实时监控。

无线网络通讯模块中的GSM无线网络通信模块通过GSM通讯网络连接手机，实现车载控制端与手机之间的通讯，MCU模块中可以存储各级管理人员的电话，发生喷淋超速或喷淋车辆状态采集模块、人机模块与MCU单片机异常中断时会通过GSM无线网络通信模块给相关管理人员的手机发送短信通知。

MCU单片机用于对接收到的喷淋车辆的工作状态信息、实时喷淋信息以及地理位置信息进行处理，并将处理结果数据经无线网络通讯模块传输至远程服务中心的服务器，同时将远程服务中心发送的指令信息传输给CAN总线通讯模块及执行模块，其中处理结果数据包括喷淋温湿度、喷淋车辆行驶速度、喷淋车辆地理位置等数据，服务器将各个喷淋车辆上传的数据进行分类，使得管理人员实时的对各个喷淋车辆进行监控，针对不同状况发出指令，如车辆超速，喷淋工作异常，数据采集、上传异常，车辆行驶到非工作区域，可以控制各喷淋车辆远程断油电的强制停机方式解决施工问题；服务器根据某时间段内各个时间点上喷淋车辆的位置信息绘制出喷淋历史轨迹，得到各喷淋车辆每天每时段的喷淋次数，方便管理人员通过浏览器连接Internet实时查询。服务器根据各时间段内喷淋车辆的位置信息变化与时间差，计算各时间段内喷淋车辆的平均行驶速度，以供管理人员通过浏览器连接Internet实时查询。MCU单片机中还设有电可擦可编程只读存储器，其用于保存在应用过程中修改且掉电不丢失的数据。

本发明的系统还具有以下功能：

喷淋超速报警功能。当喷淋车辆的喷淋速度超过预定范围的最大值，远程服务中心的服务器根据预设的速度值提供电脑语音报警提示，并向相关管理人员手机发送短信提示，管理人员通过浏览器终端发送指令强制远程断电功能。

电子围栏功能。可限定车辆在某个固定的区域工作。当喷淋车辆超出工作区域，远程服务中心的服务器发出警报，管理人员可远程发送指令，信息采集模块收到指令，可进行断油电操作，实现远程停车。

数据统计功能。服务器通过远程服务中心数据库调用后台存储数据，统计在某段时间内报警的次数和报警类型；可统计喷淋车辆的工作时间(点火时间)；可统计喷淋车辆开启的工作时间；可统计在某段时间内喷淋车辆超速、停车的次数，并均可将统计结果导出到excel表。

参见图3，图3为本发明的梁场喷淋车辆集群监控组网示意图。各梁场内每台喷淋车辆均安装了车载控制端，每部喷淋车辆被分配有唯一ID，无线网络通讯模块将各车载控制端采集的数据传送至远程服务中心，服务器对数据接收、存储、分类，以便管理人员通过浏览器终端查询信息并监控各喷淋车辆。

本发明的工作原理如下：

车载控制端通过电源模块供电，安装于喷淋车辆车身，通过喷淋车辆状态采集模块采集喷淋车辆各部分运行状态参数及地理位置信息，通过喷淋状态采集模块采集实时喷淋信息，并通过MCU单片机处理，控制执行端-继电器，来控制电磁阀和高压喷头，实现对喷淋的及时反馈，同时通过CAN总线控制器来控制喷淋车辆的运行状态，将采集的各种信息通过MCU处理，传送至无线网络通讯模块，通过无线网络通讯模块实现与远程终端的无线通讯。用户通过可连接Internet的计算机登陆远程终端的服务器网站，查询施工机械的实时信息并进行远程实时监控，通过无线网络通讯模块中的GSM无线网络通信模块将喷淋车辆断电、喷淋超速信息发送至各管理人员手机，管理人员通过无线网络下发指令进行远程实时监控，对各路段的各喷淋车辆远程断油电，强制停机，强制其按照施工规范进行压实作业。管理人员还可通过服务器网站调用服务中心数据库对喷淋车辆工作历史轨迹查询、喷淋次数统计、喷淋超速统计、喷淋时间统计、报警信息统计，并导出excel表格。

本发明中喷淋车辆的数目根据梁场内待喷淋的梁的数目以及施工方需求设定；喷淋时，每辆喷淋车辆负责一段区域内的预制梁喷淋，梁场的工作环境是一致的，蒸发时间基本相同，因此一般是按照预制梁的摆放顺序进行，喷淋完毕后，且起点梁未达到喷淋标准，则喷淋车辆回到起点并停车，直至达到喷淋间隔时间；最佳的设置为对所有梁进行完一次喷淋之后，起点梁刚好达到二次喷淋的条件，直接对其进行喷淋。如果有某个预制梁出现异常需要喷淋，则喷淋车辆到达该预制梁喷淋位置进行喷淋。预制梁的喷淋位置可以预存在单片机中。

本发明能够在喷淋养生控制过程中，从温湿度传感器中读取到现场的温度和湿度实时数据，结合设定的公式，推算出喷淋所需的水量，结合管路的流量和压力(压力信息也要转换成流量来计算)等信息计算出喷淋的时长，通过继电器对电磁阀进行操作，来控制高压喷头。参见图4，当控制系统计算得到某一时间段内的水分蒸发速率已经使预制梁达到了最佳含水率下限的时候，自动打开继电器开始喷淋，同时通过单片机对预制梁的喷淋位置和喷淋车辆地理位置进行比较，并将两者间的相对位置信息传送给CAN总线控制器，通过CAN总线控制器控制喷淋车辆减速至一定速度或停止，在预制梁的喷淋位置对预制梁进行喷淋；喷淋时间满足计算的时长后关闭电磁阀，同时通过CAN总线控制器控制喷淋车辆加速或启动行驶到需要喷淋的预制梁喷淋位置；继电器开启时的时间和关闭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。

本发明通过温湿度传感器实时监控梁场现场的环境温度、湿度，MCU单片机计算开启、关闭喷淋电磁阀的时间和控制喷淋车辆的速度、启停，保证梁体表面始终处于湿润的状态。

LCD触摸屏可以设置系统工作状态，监控系统运行情况，查询系统运行历史参数等，实现操作人员与系统进行人机交互。手动模式按钮是手动工作状态下的主要控制元件，可以完成对系统运行的控制，配合触摸屏可以监测系统运行状态和完成对控制系统内部信息进行查询和输出等功能。

管理人员通过无线网络下发指令进行远程实时监控，对各路段的各喷淋车辆远程断油电，强制停机，强制其按照施工规范进行压实作业，确保了施工的安全性。

结合GPS定位技术、传感器技术，实时把喷淋车辆的喷淋温湿度、喷淋速度、喷淋次数及其位置等多项工作参数详细地显示在远程服务中心。方便管理人员直观了解喷淋养生进展，合理调配资源，提高利用率，有利于保证工期。

通过GSM(短消息通讯)和GPRS(实时在线通讯)两种无线通讯模式，配合远程服务中心的服务器，确保施工水平及施工进度，有效提高喷淋车辆的管理与施工进度掌控；并可记录喷淋信息参数，为工程质量监理或质量事故的责任判定提供依据。

车载控制端体积小巧，方便安装。

Claims (5)

1.基于物联网的移动喷淋车辆群控系统，其特征在于：包括若干辆喷淋车辆、喷淋状态采集模块、单片机；单片机安装在每辆喷淋车辆车身上；喷淋状态采集模块通过单片机和执行模块相连，执行模块连接喷淋车辆高压喷头上的电磁阀；单片机均与远程终端相交互；单片机连接电源模块；

喷淋状态采集模块用于采集预制梁表面温度和湿度；

单片机用于根据预制梁表面温度和湿度计算得到开启电磁阀的间隔时间和喷淋时长，并通过执行模块开启或关闭电磁阀；

单片机与用于获取喷淋车辆实时行驶速度和位置信息的喷淋车辆状态采集模块相连；

执行模块包括相连的驱动器和用于控制电磁阀接通或切断的继电器，单片机连接驱动器；继电器采用电磁式继电器；

单片机连接人机模块，人机模块包括手动按键和触摸屏控制器，触摸屏控制器与触摸屏相交互；

单片机通过无线网络通讯模块与远程终端相交互；无线网络通讯模块包括GPRS无线网络通信模块和GSM无线网络通信模块；远程终端包括远程服务中心和手机，远程服务中心包括依次连接的GPRS无线网络通信模块、服务器和浏览器终端；其中无线网络通讯模块中的GPRS无线网络通信模块通过GPRS通讯网络连接接远程服务中心的GPRS无线网络通信模块，无线网络通讯模块中的GSM无线网络通信模块通过GSM通讯网络连接手机；

喷淋车辆状态采集模块包括CAN总线通讯模块和GPS定位模块；单片机通过CAN总线通讯模块与喷淋车辆的CAN总线控制器相交互；单片机通过GPS定位模块与GPS卫星相连；

喷淋车辆的数目根据梁场内待喷淋的梁的数目以及施工方需求设定；喷淋时，每辆喷淋车辆负责一段区域内的预制梁喷淋；如果有某个预制梁出现异常需要喷淋，则喷淋车辆到达该预制梁喷淋位置进行喷淋；预制梁的喷淋位置预存在单片机中；具体地，通过单片机对预制梁的喷淋位置和喷淋车辆地理位置进行比较，并将两者间的相对位置信息传送给CAN总线控制器，通过CAN总线控制器控制喷淋车辆减速至一定速度或停止，在预制梁的喷淋位置对预制梁进行喷淋；喷淋时间满足计算的时长后关闭电磁阀，同时通过CAN总线控制器控制喷淋车辆加速或启动行驶到需要喷淋的预制梁喷淋位置。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的移动喷淋车辆群控系统，其特征在于：喷淋状态采集模块包括分别与单片机相连的温度传感器和湿度传感器。

3.利用权利要求1所述的基于物联网的移动喷淋车辆群控系统进行的基于物联网的移动喷淋车辆群控方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：采集预制梁的温度和湿度，确定预制梁表面的实际含水率W以及水分蒸发速率E；

步骤二：根据实际含水率W以及水分蒸发速率E，计算开启喷淋车辆高压喷头上电磁阀的间隔时间T₀和喷淋时长T′；

步骤三：开启电磁阀，通过高压喷头对预制梁进行喷淋，直至喷淋时间满足步骤二计算的喷淋时长，关闭电磁阀。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的移动喷淋车辆群控方法，其特征在于：步骤一具体包括：

其中，W—实际含水率，％；

—实时相对湿度值，％；

W_s—标准养生情况下的最佳含水率，％；

t—实时温度值，℃；

E＝5[(t+18)^2.5-r(T_a+18)^2.5](V+4)×10^-6

式中：E—蒸发速率，kg/m²·h；T_c—混凝土温度，℃；T_a—气温，℃；r—空气的相对湿度；V—风速，kph。

5.根据权利要求3所述的基于物联网的移动喷淋车辆群控方法，其特征在于：步骤二中，

其中L为最大单位含水量，单位kg/m²；W_s—标准养生情况下的最佳含水率，％；在T₀＞0时，间隔T₀时间后重复喷淋；在T₀≤0时，直接进行喷淋；

其中W′为设定含水率，S为预制梁的喷淋面积，单位m²，ρ为喷淋水的密度，单位kg/m³；Q为流量，单位m³/s。