基于智能颗粒的沥青路面结构内力感知监测系统设计

于红艳，潘 芳，王力扬

1.江苏省交通运输厅公路事业发展中心，江苏 南京 210000

2.江苏东交智控科技有限公司，江苏 南京 210000

智能颗粒能够实时监测沥青面层的温度、内部受到的正应力、大地坐标下的三维欧拉角、剪应变和高精度三轴加速度，可通过低功耗蓝牙技术或其他通信协议与便携式接收器进行数据传输，也可通过远程控制路边信号采集器（STRDAL GLOBAL）将数据实时上传至云端便于用户实时查询。

1 系统硬件功能模块设计

1.1 传感器模块

（1）数据模块：由CPU、三轴耐高温应力片、三轴加速度传感器、三轴磁力器和温度计模块组成，该模块可以准确了解沥青面层的结构内的应力、变形、转动和振动的情况。

（2）通信模块：采用低功耗蓝牙技术将数据模块采集到的数据传送给后台并接受用户指令，低功耗蓝牙技术采样率高，传输距离较长，功耗低便于航距离、长时间的实时动态监测。

（3）电源模块：为了承受路面摊铺过程中的高温环境，采用耐高温锂锰电池，保证传感器可以长期实时工作。

1.2 远程控制路边信号采集器模块

远程控制路边信号采集器（STRDAL GLOBAL）是一款配合Smart Rock用于户外接收、运算处理、远程监控和云端大数据接口的数据超级终端，支持多种供电方式，可根据现场情况配置220V电源、110V电源、自带电源、太阳能供电、风力供电等；支持多种数据传输方式，可根据现场情况配置 WLAN、Wi-Fi、3G（CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA）、4G（TD-LTE、FDD-LTE）等。

（1）主运算单元性能参数：MCU四核1900处理器，根据现场情况定制型号，配套M100_6118板SOC板，2G、4G、64G存储器，含多口USB、COM口、VGA口、MIC口等接口。

（2）供电单元性能参数：可选多种型号的蓄电池，或根据场景配置太阳能风力发电等。

（3）转换储存单元：110V、220V、12V等多种单元对主控单元MCU、太阳能、风力发电等进行实时监视转换，协调控制位系统。

（4）远程通信单元：根据现场情况配置多种模式，例如 BLE4.0 WLAN、Wi-Fi、3G（CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA）、4G（TD-LTE、FDD-LTE）等，以协调系统可靠性。

2 系统软件设计

2.1 软件界面设计

系统软件界面外观包含以下主要功能区域。

（1）串口连接：选择蓝牙设备串口进行连接或断开。

（2）数据显示：实时显示设备上报测量数据，包括角加速度、线加速度、磁场强度，同时显示电池量和监测温度，还包括3D动画显示的设备转动姿态。

（3）参数配置：设备各种工作参数的配置和读取，如采样率、上报数据速率、分辨率，量程、9轴数据选择上报功能开关等。

（4）实时钟偏差测量和补偿：设备RTC时钟校准和补偿。

（5）工作模式设置：实现设备复位、定时睡眠唤醒及震动唤醒低功耗工作模式。

（6）在线实时数据保存：将设备通过蓝牙传输上报的实时数据存储为PC上的数据文件，并计算输出欧拉角和转动矩阵数据文件。

（7）离线数据存储：设置设备将实时数据存储到外部Flash中，然后主机将设备Flash中保存的数据读取并保存为数据文件。

2.2 系统软件数据实时展示

GUI界面中间区域上部分为数据显示区域，显示内容包括设备温度（Show Thermometer Graph）、电池电量（Battery Power）、三轴角速度（Show Gyroscope Graph）、三轴线加速度（Show Accelerometer）、磁场强度（Show Magnetometer）随时间变化曲线、欧拉角曲线（Show Euler Angle）及3D动画显示的设备运动姿态（Show 3D Cuboid）。实时姿态3D显示界面如图1所示。

图1 实时姿态3D显示界面

3 系统性能验证

系统设计完成后，需要对系统监测内容进行验证，确保数据采集的准确性和可靠性。

3.1 耐高温性能验证

将传感器模块置于沥青混合料中，并放在烘箱内进行加热，确保能够采集到最高温度的相关数据，目前测定的耐热温度为180℃。

3.2 温度标定功能验证

将智能颗粒和水银温度计置于沥青混合料中，并放在烘箱内进行加热，记录智能颗粒和水银温度计的温度数据，对比两者采集到的温度数据，对采集到的智能颗粒的温度数据进行标定，标定结果表明智能颗粒与水银温度计测定温度相差不大于0.2℃。

3.3 传感器模块黏附性验证

采用水煮法研究智能颗粒与沥青黏附性能，试验表明智能颗粒黏附性等级为5级。

3.4 应力测量准确性验证

采用压力测试机对智能颗粒应力测量准确性进行测试，测试仪器为UT61B万用表、XMT808-2压力测试仪、笔记本电脑，测量结果表明智能颗粒应力测量误差在5%以下。智能颗粒应力测量误差如表1所示。

表1 智能颗粒应力测量误差

4 结束语

文章对智能颗粒软硬件进行了研究，智能颗粒是针对公路路面受力、变形监测、路用性能预测等需求开发的超小型（19mm）耐高温（180℃）高精度传感器，具有良好的变形协调能力（黏附性5级）。智能颗粒能够实时采集监测参数，包括标准时间、温度、路面三轴正应力、三轴加速度、欧拉角及四元数，可利用低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）或其他通信协议传送数据到便携式接收器，或远程控制路边信号采集器（STRDAL GLOBAL），实时上传至云端储存，供用户随时查看、下载。