基于物联网及云与大数据技术的马歇尔重型击实仪的研究

摘 要为顺应当代物联网科技的发展趋势，也为厂家及施工单位及监理单位等试验室相关管理部门提供大数据服务，本文就马歇尔重型击实仪作简单介绍、对物联网技术及云与大数据技术与马歇尔重型击实仪结合带来的好处、系统架构、电路研究、软件设计需求等几个方面做了一定的阐述，本文对现有马歇尔重型击实仪的研究增加了相关的数据通信电路，提出了一套新的试验室管理模式即全实时数据服务系统，为设备云的数据链路的畅通提供技术保障，也可以为公路试验室系统研究的相关工作者带来一定的创新思维。

【关键词】物联网 云与大数据 重型 马歇尔 击实仪 设备云 数据采集 抗干扰 沥青混合料 公路工程 工地 现场

1 目前现有马歇尔重型击实仪的简单介绍

马歇尔试验是公路工程中必备的基础测试项目，对于施工单位需要知道碎石与沥青混合配比是否达到国家铺路材料的标准，监理单位也需要知道施工单位铺路的材料是否合格，故马歇尔试验的测试数据直接影响修路的合格与否，其中制备试件的仪器设备就有小马歇尔击实仪和大马歇尔击实仪，大马歇尔击实仪也称为马歇尔重型击实仪。

马歇尔重型击实仪是实现大马歇尔试验试件制备的必备设备，是在传统手工设备的基础上采用电机驱动，通过链条及齿轮等机械装置把一定重量的重锤提高到一定的高度，对试模内沥青混合料进行击实，按标准75（或112）锤，对热拌沥青混合料击实成型的过程。击实仪分两部分，第一部分是机械部分、第二部分是电路部分。机械部分主要是支架、卡具、电机、链条传动、重锤。电路部分有电气仪表外壳箱体、传感器（霍尔传感器、机械式开关）、电路板、交流接触器、变压器等。现有的马歇尔重型击实仪只有试件制备功能，没有物联网数据传输功能，也不支持云服务功能更不支持大数据服务功能。

2 物联网技术及云与大数据技术与马歇尔重型击实仪结合带来的好处

物联网是当前的科技发展的趋势，是目前乃至十年内的各行业大力发展的推行的技术，通过物联网，可以实现现场庞大数据的采集，通过云服务可以实现现场数据的存储及分享及计算分析，真正突破信息孤岛，把现场的数据及设备自身的状况等信息实时传输到数据中心，通过大数据技术实现厂家、施工单位、监理单位等数据需求部门跟单位全天候的数据服务。真正实现公路试验设备的云服务，为实现全实时试验室数据管理提供了技术手段和方法。

我们知道数据的准确性及可溯源性是试验相关部门非常关注的，在实际工作中，好多数据可能会出现错误、纰漏或作假，人为故意的可能性也有，有的是操作人员疏忽大意，或不小心，或不注意没有按流程做，击实次数不到要求的次数，或温度等条件不满足。也有设备本身的问题，例如恒温設备温度误差大，击实仪设备自身问题导致计数不准确、甚至漏锤等。

如果有了物联网技术及云跟大数据技术，我们可以跟踪每一批次的试件制备的时间，制备的条件，制备的工作人员，设备的状况，设备的厂家情况，设备的维修情况等都及时传输到数据中心，当有试验人员需要做测试的时候，测试的数据与试件制备的数据可以串联起来，从而实现试验室的全生态链的数据服务，真正实现实验室全实时数据服务，杜绝试验室作假，及时记录现场情况，可以重现现场情况，记录所有的细节为各个部门提供真实的过程数据。还可以把过程用视频摄像记录存储下来，作为试验室数据采集的配套，可以随时重现试验室过程，发现问题时，可以现场重现。

大数据服务内容有：

（1）厂家型号等信息收集，可以分析不同厂家不同型号的性能好坏，提供给用户以后采购决策服务；

（2）资产管理部门可以随时掌握设备的总数量及可用设备及不可用设备等信息；

（3）资产管理部门也可以知道的设备的运行空置情况，好掌握设备的运行总时间等信息，为维保提供依据；

（4）工地试验室及监理公司可以看到试件是什么试验室制备的，制备人是谁，有效试件是多少；

（5）可以知道不同人制备的试件成功测试数据的试件是多少；

（6）不同人的效率及成品率。

（7）厂家可以分析了解同一型号产品在不同区域的运行情况，可以为厂家提供全国同一区域和不同区域产品使用情况的对比；

（8）厂家可以分析不同型号的产品在同一地区的运行情况，保养维修情况，可以为设备提前安排相关保养提供数据支撑，保养的提前通知，设备检修准备提前通知等；

（9）厂家可以适时了解设备的故障率，为售后备品备件等提前作好准备，也为厂家的产品改进提供数据支撑；

（10）厂家还可以通过大数据分析了解不同用户的设备保养情况、使用情况、坏损率、做出市场销售的决策，不同客户采用不同的销售策略。

3 基于物联网技术及云与大数据技术的马歇尔重型击实仪的系统架构

马歇尔重型击实仪的数据服务系统架构包括四个层次：

第一层传感器层：试验室的单体设备的计数传感器、远程网络视频头，手机等，采集的数据包括实验室位置、试件制备的批号、工作人员的姓名、制备的数量、设备运行的开始时间及结束时间、保养时间、保养项目、保养人、维修时间、维修人、维修问题等；

第二层数据链路层：无线泛在网、GPRS无线网络、光纤或其他的有线网络；

第三层数据中心：云中心的核心就是数据中心，数据中心具有存储、计算分析功能，云中心不是普通意义的数据中心是基于虚拟化的云管平台或基于容器技术的云平台，这样的平台是弹性可扩展的；

第四层应用服务层：SASS平台软件提供给监理公司、施工单位、设备厂商提供数据应用服务。

4 基于物联网技术及云与大数据技术的马歇尔重型击实仪的电路研究

电路部分包括：电源部分、CPU数据采集、键盘输入、显示强电控制及通信电路部分。

4.1 电源部分包括AC-DC、直流降压及稳压部分

电源部分主要考虑CPU部分供电与控制部分的电路的地的隔离，需要多组电源供电，CPU控制部分电路与强电部分采用光电隔离器件使强电控制部分的干扰不易影响CPU电路。GPRS等通信部分也单独供电。

4.2 CPU数据采集

CPU的选型可以采用工艺比较稳定的AT89C51，这款CPU在国内流行比较久，抗干扰强。数据采集部分应该考虑信号的防抖动及抗干扰等问题。数据采集还应考虑工地现场掉电的数据实时保存问题。

4.3 键盘输入

键盘输入是标准电路，采用CPU扫描模式识别键盘的实际按下具体的某一个键。

4.4 显示

由于系统不是很复杂可以采用LED显示，也可以采用液晶显示，在工地很多工作人员更喜欢LED显示，直观简单。液晶显示太复杂，操作不便。

4.5 强电控制

CPU的I/O口可以通过光电隔离器件保证强电控制部分的地与CPU弱电的地的很好隔离。CPU的I/O口的驱动能力是控制稳定的关键，同时考虑CPU复位的间隙CPU的I/O口状态对强电控制的失控。

4.6 通信电路

通信电路应该考虑GPS位置信息，GPRS通信接口，网络通信接口。这样就可以实现设备的云化服务。

5 基于物联网技术及云与大数据技术的马歇尔重型击实仪的软件设计需求

5.1 重型击实仪基于AT89C51单片机的软件设计

（1）软件必须考虑设备启动时的控制初始化，避免误动作；

（2）软件要考虑系统掉电数据保存功能；

（3）显示位码设计成三位，显示的内容考虑开机时如果读出的误码要初始化为0；动态显示的扫描时间要大于30贞每秒，否则有不稳定的闪烁；

（4）数据采集时对输入信号的防抖动软件处理；

（5）可以与GPS模块串口通信，可以通过串口与GPRS模块通信。

5.2 云服务SASS服务软件的内容

5.2.1 APP软件

APP软件可以支持工地工程师、试验室管理人员、工程施工管理人员、监理单位管理人员、设备厂家维修人员及管理人员、需要数据的第三方等使用，手机APP软件提供移动办公的可能，对设备的设置及数据跟踪查询都能够很方便的完成；

5.2.2 客户端软件

功能类似APP软件，可以完成手机APP的功能。

5.2.3 服务器端软件

通过数据的采集整理，通过大量的计算分析可以提供客户端及手机APP端的相关服务，真正实现数据共享，数据孤岛壁垒打破，极大的节约了资源，提高了效率，数据中心运维人员可以很容易的控制数据的流向及数据服务的对象。

6 总结

现有的马歇尔重型击实仪仅仅具备自动制备试件的功能，没有数据采集传输到云的功能，不能够提供更多的数据共享及提供管理部门相应的管理功能，本文提出的基于物联网技术及云与大数据技术的马歇尔重型击实仪试验室系统，实现了数据采集，传输，存储计算分析，共享，大数据服务等，能够实现全实时数据的采集，数据溯源，对设备的工作状况及提前维修等提供信息服务，是贴合目前公路试验室数据全生命周期服务的理念。为施工单位，监理单位，厂家及管理机构等，提供非常贴心的服务。是科技改变未来的真实实践。目前公路试验室管理还没有类似的系统，这是交通行业的创新，从简单的仪器设备系统，折射出交通行业的试验室管理系统的新需求，本文的提出的物联网、设备云化及大数据服务应用于公路交通试验室管理的思维是非常前沿的创新，为试验过程数字化，数据全生命周期的监控提供实现的方法，能够为交通公路试验室管理的跨越式发展提供非常高的参考价值。

參考文献

[1] 公路工程沥青及沥青混合料试验规程料标准规程.中华人民共和国行业标准（JTG E20—2011）T0702-2011沥青混合料试件制作方法（击实法），2011.

[2]张阳华.基于云计算的物联网技术[J].电子技术与软件工程，2017（17）.

作者介绍

欧阳睿骐，女，15岁，北京市人，北京市海淀区海淀实验中学高二钱学森班理工科班学生，从小酷爱计算机软件及单片机硬件相关知识，本文是小作者在学习了解马歇尔重型击实仪的时候突发奇想，把现有设备与物联网及云与大数据技术结合碰撞出创新的火花，灵感乍现写了这篇文章并在专业老师的指导下准备付诸行动设计相关电路及软件。

作者单位

海淀实验学校高二钱学森班 北京市 100089