基于物联网的智慧型渗水仪设计及开发

王文刚

(安徽省交控建设管理有限公司，安徽 合肥 230000)

1 引 言

当前，沥青路面在公路交通运输中的应用日益广泛。路面施工不均匀会导致沥青路面力学性能和使用性能降低，缩短道路使用寿命[1]。路面的渗水性能及其使用寿命与行车安全密切相关[2]，监测路面抗渗能力已成为当前公路建设中的重要任务[3]。目前，渗水仪数据的记录大多采用人工计时和读取，误差较大[4]，渗水系数检测的数据波动大，准确性差[5]。

本研究在国内已有试验检测信息管理系统的基础之上，开展智慧型渗水仪的开发及应用研究。采用物联网技术，为保证沥青路面渗水系数检测的真实性、准确性，提高试验检测效率，提供技术支持。

2 智慧型渗水仪硬件设计

物联网检测设备的硬件设计应根据检测需求，确定仪器需要采集并上传的数据，以及数据提供的方式。再根据仪器使用的环境及条件确定网络传输方式，同时对仪器的内部电路板以及其他硬件设备进行改造。

2.1 智慧型渗水仪网络传输

根据物联网技术以及仪器自身的特点，对试验仪器进行物联网化改造，还应考虑用户对低功耗、海量连接、超强覆盖和低成本的需求[6]，从而进行网络传输方式的选择。

物联网技术体系一般包括信息感知、传输、处理及共性支持技术，基本特征可概括为整体感知、可靠传输和智能处理[7]。其中，可靠传输是通过对互联网、无线网络的融合，将物体的信息实时、准确地传送，以便信息交流、分享。目前，这类无线通信方面的主要技术包括红外IrDA、Wi-Fi、蓝牙、蜂窝移动通信以及ZigBee技术等。对几种通信网络的技术指标进行对比，如表1所示。

表1 物联网技术指标对比[8-10]

根据表1中物联网技术各项指标数据，考虑到施工现场的试验检测仪器需要无线网络传输，智慧型渗水仪可选择应用蓝牙和移动网络传输数据。但施工现场多处于偏僻区域，网络信号覆盖情况不稳定， 因此， 智慧型渗水仪选择通过蓝牙传输数据至手机或平板移动终端，检测人员可在移动网络信号覆盖的区域进行数据的上传。

2.2 智慧型渗水仪硬件改造

通过对网络传输方式的研究，智慧型渗水仪采用蓝牙方式传输数据，需要根据智慧型渗水仪使用的功能需求对设备的主电路板等硬件进行设计和改造，从而实现仪器的智慧化。

传统渗水仪手动开关阀门时，由于试验人员施力不可控，渗水仪侧面因受到不均衡压力作用而倾斜，与路面间的密封面破损，导致漏水。为了降低阀门内径局部阻力对测量结果的影响，将传统渗水仪的手动开关阀更换为型号为YCSM31 11 11 4GBV,A,SA11B 4的常闭电磁阀，具体参数为：直动式10mm通径、内接口G螺纹1/2″、线圈型号SA11B、DC12V电压。应用电磁阀消除了这种破坏性因素，同时便于实施自动控制[11]。

经调查，部分研究人员开发的渗水装置以eType电阻式液位传感器测量液位高度[12]。本文研究的智慧型渗水仪考虑以高精度流量传感器测量水流。这2种方法均能测量体积变化，但差别较大。高精度流量传感器测量参数为齿轮流量，即根据一定时间内流通的标准容积个数计量，而电阻式液位传感器测量参数为高度。对于相同位数的A/D转换电路，齿轮每个标准容积相当于0.25mL水流，高精度流量传感器最小分辨率相当于0.5mm；而电阻式液位传感器最小分辨率为1mm。高精度流量传感器为数字式传感器，不需要A/D转换，通过串口直接获取数据，性价比高且速度较快。

经过硬件改造后的智慧型渗水仪各部件如图1所示，具体技术要求见表2。

(a)智慧型渗水仪外部示意图

表2 智慧型渗水仪技术要求

利用智慧型渗水仪进行试验时，OLED显示屏会显示试验时间、渗水系数、电量、是否开启蓝牙等，可通过屏幕下方的启动、停止、复位按钮控制试验开始、停止及校核。渗水仪的盛水量筒表面刻有以“mL”为单位的标尺，量筒下方导管由电磁阀开关控制水流。当量筒中的水流入开关下方的高精度流量计时， 流量计内齿轮每旋转一圈水流出0.26/0.25mL。将流量通过传感器进行数据处理、记录后显示在屏幕上。

OLED屏背部为主电路板，定位模块、蓝牙传输模块均集成在主电路板上，电磁阀开关、高精度流量传感器则是通过连接线与主电路板连接。试验人员通过智能终端控制智慧型渗水仪，设备通过蓝牙与移动终端进行信号交互，完成操作命令，并传输试验数据，再通过智能终端上传至远程终端。

3 智慧型渗水仪软件设计

智慧型渗水仪需要控制端软件配合完成自动化试验操作和数据采集。智慧型渗水仪与移动终端通过渗水检测APP进行蓝牙连接后，所有的操作均在控制终端软件的渗水系数试验检测界面中完成。渗水检测APP操作界面设计如图2所示。

(a)试验信息填写

在渗水检测APP界面填写好试验基础信息(如桩号、检测依据等)并提交后，即可以准备开始试验。开始试验前先进行设备校准和时间校准，调整高精度流量计的每转流量，将显示数据与实际量筒中水位下降体积对应，校准后开始试验。点击系统的“准备试验”，渗水仪接到命令水会流出。当量筒中水下降至100mL时，点击“停止”。点击“开始”，正式开始渗水试验。当3min时间渗水量未到400mL，这时仪器自动停止渗水，点击“3min渗水量”右侧的图标获取数据；当渗水时间未到3min，渗水量达到400mL，这时仪器也将自动停止渗水，点击获取数据，系统即可记录本次试验数据。如果试验需要增加组数时，直接点击渗水系数的“+”即可增加获取数据的页面，重复桩号等信息，然后重复以上步骤即可，操作至此试验结束，点击提交数据。

渗水检测APP远程控制渗水仪电磁阀开关状态，并根据高精度流量传感器获得水流数据，实时接收监测流量数据，再通过移动网络上传至管理平台。

4 工程应用

目前，安徽合枞高速公路已应用智慧型渗水仪得到相应试验数据，根据平台中的渗水系数相关数据对智慧型渗水仪的应用情况进行评价。

应用智慧型渗水仪进行现场试验检测(如图3所示)，试验数据可实时显示在电子屏中。试验人员在仪器自动渗水3min后获取数据，更换检测点即可开始下一个平行试验。从渗水仪开始检测至完成试验，试验人员仅需输入基础试验信息，其余操作均在移动终端上点击按钮实现渗水系数试验数据的上传。而传统渗水系数检测，在相邻两组试验的间隔时间，则需进行人工记录，或先保存试验数据，等所有试验结束后再进行数据整理。

图3 智慧型渗水仪现场应用

通过使用智慧型渗水仪，省去了原本需要试验人员计时、控制水流、计算渗水系数的步骤，现在仅需1人在智能终端进行操作即可完成试验，降低了人员方面的成本。

智慧型渗水仪渗水系数统计分析界面如图4所示，从试验管理平台中可以查看渗水系数试验数据电子记录表，表中记录有试验桩号、工程部位等数据；可以清晰地查看渗水系数合格情况，以及根据定位信息获得的断面分布情况等。

(a)智慧型渗水仪试验记录表

应用智慧型渗水仪能够将路面施工质量与试验检测数据结合起来，及时反映施工质量，减少试验检测人员人工记录或后期整理数据的工作量，避免了试验人员在记录或整理数据时的失误，提升了检测效率，保证了数据的真实性和准确性。

5 结 论

根据现场渗水系数试验检测的需求，开发了基于蓝牙通信的智慧型渗水仪，能够解决在沥青路面渗水性检测中传统渗水仪测定方法的弊端，不需要人工读取和记录测试结果，数据可自动记录并通过蓝牙传输到信息化管理云平台，减少人为因素产生的误差，提高数据的准确性，简化检测流程，提升检测效率，并能够减少试验人员，从而节约检测成本。