基于无线传输的大体积混凝土养护智能温控装置的制作方法

本发明属于混凝土养护领域，具体涉及一种基于无线传输的大体积混凝土养护智能温控装置。

背景技术：

随着社会的不断发展和进步，混凝土的使用越来越广泛，其浇筑工程的方量也越来越大。混凝土浇筑已经深刻的融入到了我们当今工程建设中。大体积混凝土浇筑的要求十分严格，不仅在受力、抗压性、抗震性等方面有很多的要求，在温度控制的要求上也十分严格。以保证混凝土在强度、外观等方面符合要求。目前国内外现有的相关混凝土测温仪，仅限于测量混凝土温度数据并进行实时显示，智能化程度较低。

由于内外温差的原因，混凝土内部热量积聚不易散发，当温差大到一定程度，表面的拉应力超过当时的混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝。因此在大体积混凝土施工时，要实时监测温度差异，以提示施工现场采取降低温差的措施，保证不产生导致裂缝的温差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于无线传输的大体积混凝土养护智能温控装置，以实现混凝土温度的自动测量、记录和养护功能，提高施工效率和施工效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于无线传输的大体积混凝土养护智能温控装置，包括主机模块、从机模块、上位机接收器和喷淋控制模块；所述主机模块的输入端与多个从机模块的输出端无线连接，所述主机模块的输出端与所述上位机接收器和喷淋控制模块无线连接；

所述从机模块设置在施工现场混凝土监控处，包括第一主控模块、测温模块、第一显示模块和第一无线通信模块，所述测温模块包括设置在混凝土内温度监控点的多个温度传感器，所述温度传感器的输出端与所述第一主控模块的输入端连接，所述第一主控模块的输出端分别与所述第二显示模块和第一无线通信模块连接；所述第一主控模块用于将测温模块发送的温度数据发送到第一显示模块进行显示，以及通过第一无线通信模块发送至主机模块；

所述主机模块包括第二主控模块、第二无线通信模块、移动网络通信模块和第二显示模块，所述第二主控模块通过第二无线通信模块与从机模块、上位机接收器和喷淋控制模块无线连接；所述第二主控模块还通过移动网络通信模块与移动用户端无线连接；所述第二显示模块与第二主控模块的输出端连接，用于显示接收到的温度数据；

所述上位机接收器通过usb端口与上位机连接，所述上位机接收器包括第三无线通信模块和第三主控模块，所述第三主控模块通过第三无线通信单元与所述主机模块通信连接；

所述喷淋控制模块包括第四无线通信模块、继电器控制电路和第四主控模块，所述第四主控模块通过第四无线通信模块与所述主机模块通信连接，所述主控模块的输出端与继电器控制电路的输入端连接，所述继电器控制电路的输出端与喷淋装置的控制端连接。

所述第一主控模块、第二主控模块、第三主控模块和第四主控模块均包括stc89c52rc单片机、晶振电路和复位电路；所述第一显示模块和第二显示模块采用lcd1602液晶显示屏；所述第一无线通信模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块和第三无线通信模块采用型号为nrf24l01的无线通信模块，所述移动网络通信模块的型号为sim900a。

所述喷淋控制模块设置在变电所喷淋配电箱内，所述喷淋控制模块还包括电源转化电路，所述电源转化电路包括二极管d3、电容c9、电阻r6、稳压芯片u4、电阻r4、电阻r5、二极管d4、电容c12、电阻r9、电感l1、电容c8、电阻r7、电阻r8、电容c10、电容c11，电阻r3和发光二极管ds1，二极管d1的阳极与输出电源正极连接，阴极与稳压芯片u4的引脚vin连接，稳压芯片u4的引脚bst通过电容c7与引脚sw连接，引脚vin还经电阻r4与引脚en连接，引脚en经电阻r5接地，引脚freq经电阻r6接地，引脚gnd接地，引脚sw经电感l1输出电源正极vcc，引脚sw还经二极管d4接地，引脚fb经电阻r8接地，引脚comp经电容c12和电阻r9后接地；电感l1的输出端经电容c8接地，经电阻r7与引脚fb连接，还分别经电容c10、电容c11和串联连接的电阻r3和二极管ds1后接地。

继电器控制电路包括电阻r1、电阻r2、二极管d1、发光二极管d2、三极管q1和继电器k1、所述三极管q1的基极与第四主控模块的输出端连接，三极管q1的基极还通过电阻r1与电源正极vcc连接，集电极通过并联连接的继电器k1和二极管d1与电源正极vcc连接，发光二极管d2和电阻r2串联后并联在继电器k1两端；继电器k1的触点设置在喷淋装置的控制电路中。

所述测温模块包括三个温度传感器，分别设置在同一个检测点的表、中、里三个位置，所述三个温度传感器的型号为ds18b20，其输出引脚分别与所述第一主控模块的主芯片的一个io引脚连接，且其输出引脚上设置有阻值为10k的上拉电阻。

所述主机模块还包括按键单元，所述按键单元用于设置养护阈值温度、设置显示的温度点、以及设置发送短信间隔时间，所述第二主控模块用于判断实时温度是否超过养护阈值温度，若超过，则发送信号至喷淋控制模块，控制喷淋装置工作；还用于根据设置的短信间隔时间，发送温度数据至移动终端。

所述第一主控模块采用温度抗干扰算法进行温度数据的采集，所述温度抗干扰算法包括以下步骤：

s1、以函数指针作为工具，采集10次温度数据放入数组，然后对数组内的10组温度值的最大值和最小值去掉后，求出温度数据有效平均值，温度数据有效平均值temp1的计算公式为：

temp1=(num-max-min)/(10-2)；

其中，num表示所有温度数据的和，max表示温度数据的最大值，min表示温度数据的最小值；

s2、重复步骤s1，获得下一个采集周期内的温度数据有效平均值temp2；

s3、计算前后输出的温度数据有效平均值的偏差，判别偏差值是否超过阈值a，当温度偏大的绝对值大于阈值a时，将上一个数据采集时间段内的温度数据有效平均值作为温度输出值，否则，输出本次温度数据有效平均值作为温度输出值；判别公式为：if((temp2-temp1>a)||(temp1-temp2>a))

s4、返回步骤s2，循环进行温度数据的采集。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提出了一种基于无线传输的大体积混凝土养护智能温控装置，其包括主机模块、从机模块、上位机接收器和喷淋控制模块，通过安装在检测点的从机现场测量温度数据，并无线发送给主机模块，然后主机模块将温度整理后无线发送给上位机，可以实现混凝土温度的自动测量和记录，还可以通过移动通信模块将数据发送给移动终端，例如工作人员的手机上面；同时，通过主机模块与喷淋控制模块之间的喷淋信号无线传输，可以实现混凝土养护的自动喷淋，提高了混凝土养护的自动化程度，同时，本发明通过无线通信传输数据，无需布线，具有极强的实用性。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于无线传输的大体积混凝土养护智能温控装置的结构框图；

图2为本发明提出的一种基于无线传输的大体积混凝土养护智能温控装置的详细结构框图；

图3为本发明实施例中从机模块的电路原理图；

图4为本发明实施例中主机模块的电路原理图；

图5为本发明实施例中喷淋控制模块的电路原理图；

图6为本发明实施例中上位机接收器的电路原理图；

图7为本发明实施例中从机模块进行温度数据采集的算法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~2所示，本发明实施例提供了一种基于无线传输的大体积混凝土养护智能温控装置，包括主机模块、从机模块、上位机接收器和喷淋控制模块；所述主机模块的输入端与多个从机模块的输出端无线连接，所述主机模块的输出端与所述上位机接收器和喷淋控制模块无线连接；喷淋控制模块的输出端与喷淋装置连接，控制混凝土养护的喷淋工作，上位机接收器与上位机连接，用于接收主机模块发送的温度数据并发送至上位机存储。

具体地，如图2所示，所述从机模块设置在施工现场混凝土监控处，包括第一主控模块、测温模块、第一显示模块和第一无线通信模块，所述测温模块包括设置在混凝土内温度检测点的多个温度传感器，所述温度传感器的输出端与所述第一主控模块的输入端连接，所述第一主控模块的输出端分别与所述第二显示模块和第一无线通信模块连接；所述第一主控模块用于将测温模块发送的温度数据发送到第一显示模块进行显示，以及通过第一无线通信模块发送至主机模块。

具体地，本实施例中，从机模块的第一主控模块采用温度抗干扰算法进行温度数据的采集，如图7所示，该算法包括以下步骤：

s1、以函数指针作为工具，采集10次温度数据放入数组，然后对数组内的10组温度值的最大值和最小值去掉后，求出温度数据有效平均值，温度数据有效平均值的计算公式为：

temp1=(num-max-min)/(10-2)；（1）

其中，num表示所有温度数据的和，max表示温度数据的最大值，min表示温度数据的最小值；

s2、重复步骤s1,获得下一个采集周期内的温度数据有效平均值temp2；

s3、计算前后输出的温度数据有效平均值的偏差是否超过阈值，当温度偏大的绝对值大于阈值时，将上一个数据采集时间段内的温度数据有效平均值作为温度输出值，否则，输出本次温度数据有效平均值作为温度输出值；其判别公式为：

if((temp2-temp1>a)||(temp1-temp2>a))；（2）

s4、返回步骤s2，循环进行温度数据的采集。

具体地，本实施例中，阈值温度a的取值为5℃。

通过去除最大值和最小值，计算温度数据的有效平均值来进行取值滤波，然后通过计算两次计算的有效平均值的偏差进行限幅滤波，可以有效的避免因干扰带来的稳态误差，此过程属于软件对硬件的加强。在实际应用中该滤波算法对干扰有着良好的滤除作用，并且能够保护信号的边缘，使之不被模糊。因此，本发明实施例中，从机模块可以更加准确地测量得到温度数据。

具体地，如图2所示，所述主机模块包括第二主控模块、第二无线通信模块、移动网络通信模块和第二显示模块，所述第二主控模块通过第二无线通信模块与从机模块、上位机接收器和喷淋控制模块无线连接；所述第二主控模块还通过移动网络通信模块与移动用户端无线连接；所述第二显示模块与第二主控模块的输出端连接，用于显示接收到的温度数据；所述第二主控模块用于通过第二无线通信模块接收从机模块发送的温度数据，并进行整理后通过第二无线通信模块实时发送给上位机接收器，第二主控模块还用于通过移动网络通信模块将接收到的温度数据发送给移动用户端，以及用于通过第二无线通信模块发送喷淋信号给所述喷淋控制模块。

具体地，如图2所示，所述上位机接收器通过usb端口与上位机连接，所述上位机接收器包括第三无线通信模块和第三主控模块，所述第三主控模块通过第三无线通信单元与所述主机模块通信连接；所述喷淋控制模块包括第四无线通信模块、继电器控制电路和第四主控模块，所述第四主控模块通过第四无线通信模块与所述主机模块通信连接，所述主控模块的输出端与继电器控制电路的输入端连接，所述继电器控制电路的输出端与喷淋装置的控制端连接。

具体地，本实施例中，所述第一主控模块、第二主控模块、第三主控模块和第四主控模块均包括stc89c52rc单片机、晶振电路和复位电路。stc89c52rc单片机广泛的被使用在各类日常和工业电器用品中，作为一个控制器件，能够很好地完成任务，该产品在经过不断被优化以后，已经十分适合在设计中被使用。使用这种单片机可以使得这次设计更加方便实操性更强。该单片机性能满足设计要求，且性价比高。但本单片机在使用时需要外界晶振电路和复位电路。晶体振荡器简称晶振，是一种所有单片机都要使用到的基础电子元件，不同的晶振有不同的频率，因此，选择更高频率的晶振可以使单片机运行速度加快，但是晶振频率一旦改变，需要特定时间延时或需要波特率进行通信的程序就必须根据晶振频率进行重新编写，同时，单片机也有自己的最高晶振频率，即最快运行速度，超过该频率的晶振会使单片机无法使用。由于在整个系统中，只有时钟信号一致，才能使各个模块正常工作，因此，晶振也为整个系统统一了时钟信息，使系统可以稳定运行在本系统中，使用的晶振频率为11.0592兆赫兹。在本实施例中，选择上电复位作为本设计的复位方式，这种方式减少了焊接的麻烦，同时也减少了电路板使用面积，可以使电路板布局更加游刃有余，也减少了手动复位的麻烦，更加便捷。

所述第一显示模块和第二显示模块采用lcd1602液晶显示屏，该显示屏大小合适，显示内容丰富，同时控制简单，一共有16个引脚，在本实施例中，这16个引脚都需要接入才能实现对lcd1602的控制，gnd和bggnd引脚分别为模块的地端和背光的地端，由于本设计需要加入背光，因此这两个引脚都与gnd相连。vcc引脚和bgvcc引脚分别是模块的电源和背光的电源，都与5v电源相连。v0连接滑动变阻器实现背光的调节。模块中的rs、rw、w引脚是模块的控制引脚，rs、rw、e三个引脚与d0~d7引脚相互配合，完成数据和命令写入lcd1602，写入显示屏的指令分为命令和数据，当要写入命令时，需要将rs引脚置位高电平，当该引脚为低电平时，进行读取也就是读操作。为高电平时则进行写入也就是写操作，数据的读、写通过d0~d7这8个引脚完成，e引脚为使能引脚，当e引脚出现下降沿时，执行操作。同时使用该显示屏可以节约电量，在需要观测温度数据时，打开显示屏背光开关，不需要时将其关闭，大大节约了电量，延长了单次充电使用时间。

所述第一无线通信模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块和第三无线通信模块采用型号为nrf24l01的无线通信模块，nrf24l01是一款工作在2.4g赫兹至2.5g赫兹的世界通用的ism频段的无线收发芯片，在使用时消耗极低。无线模块工作在发送模式下时，不仅能够自动生成crc校验码和前导码，更重要的是还能在数据发送完成后自动通知单片机，大大减少了单片机的工作量，提高了工作效率，同时也很大程度的减少了编程难度。该2.4g无线传输模式具有比市面上无线模块数据传输速度快、抗干扰性强的优点，同时消耗极低，适合在本发明中使用。在本发明提供的智能温控装置中，从机、主机、上位机接收器和喷淋控制模块中都用到了无线模块，在四部分中，无线模块分别起到了不同的作用。在从机中，使用无线模块将温度数据无线发送至主机。在主机中，通过无线模块接收多个从机发送过来的温度数据，经过单片机整理后，再无线发送至上位机，也就是说，在主机中，同时使用无线模块实现收、发两种功能。在上位机中，使用无线模块实现接收主机所传输来的数据的功能。在喷淋控制模块中，采用无线模块接收喷淋信号。

具体地，如图3所示，为本实施例中从机模块的电路原理图，其中，所述测温模块包括三个温度传感器，分别设置在同一个检测点的表、中、底三个位置，所述三个温度传感器的型号为ds18b20，其信号输出引脚分别与所述第一主控模块的主芯片的一个io引脚p3.2，p3.3，p3.4连接，且其信号输出引脚上设置有阻值为10k的上拉电阻，如图3中r5、r6、r8所示。由于本设计需要在一个检测点检测表、中、里三个位置的温度，所以使用3个ds18b20进行设计。由于一个从机中，只用到了3个测温模块，且剩余i/o口数量足够，因此，不需要在一个引脚上接多个测温模块，无需区别每个ds18b20的id号，只需要由单片机向测温模块发送跳过指令rom就可以，然后读取所转换回来的数据，完成数据的读回，这样就将温度数据读回了。该传感器体积小、防水性能好，同时价格低廉，性价比极高，可根据测量高度调整数据线的长度，更加具有灵活性和实用性。最重要的是，该模块温度测量精度高，可以满足规范要求，因此选用该传感器进行温度测量。

此外，从机模块还包括电源转化电路，将电源转化为系统需要的直流电压vcc和直流电压3.3v。其中，直流电压vcc用于给温度传感器和第一主控模块供电，直流电压3.3v用于给第一无线通信模块供电。

如图4所示，为主机模块的电路原理图，主机模块的主控模块、电源模块、显示模块和通信模块的电路原理图与从机模块相同，与从机模块的不同之处在于，主机模块没有测温模块，并且主机模块中设置了一个移动网络通信模块，其芯片型号为sim900a，通过移动网络通信模块，主机模块可以与移动终端连接，将温度数据发送至工作人员手机中。sim900a内嵌tcp/ip协议板载集成的通用异步串口，可使用户能够直接通过单片机串口以at指令对该模块进行操作，不需要配置繁琐的gsm底层协议，方便程序操作。其最小待机工作电流为4毫安。同时模块带有涓流电源，能够使得数据稳定传输。该模块带有黑色棒状绝缘天线信号，辐射区强、数据传输范围广，较传统天线有不可比拟的优势，能够满足系统设计的各项要求。

此外，所述主机模块还包括按键单元，所述按键单元包括按键s3、按键s4和按键s5，它们分别用于设置养护阈值温度、设置显示的温度点、以及设置发送短信间隔时间，所述第二主控模块用于判断实时温度是否超过养护阈值温度，若超过，则发送信号至喷淋控制模块，控制喷淋装置工作；还用于根据设置的短信间隔时间，发送温度数据至移动终端。

如图5所示，为喷淋控制模块的电路原理图，所述喷淋控制模块设置在变电所喷淋配电箱内。其中，喷淋控制模块的主控模块、通信模块的电路远离图与主机模块和从机模块相同，由于喷淋模块从喷淋配电箱取电，其电源转化电路与主机模块和从机模块不同，其电源转化电路包括二极管d3、电容c9、电阻r6、稳压芯片u4、电阻r4、电阻r5、二极管d4、电容c12、电阻r9、电感l1、电容c8、电阻r7、电阻r8、电容c10、电容c11，电阻r3和发光二极管ds1，二极管d1的阳极与输出电源正极连接，阴极与稳压芯片u4的引脚vin连接，稳压芯片u4的引脚bst通过电容c7与引脚sw连接，引脚vin还经电阻r4与引脚en连接，引脚en经电阻r5接地，引脚freq经电阻r6接地，引脚gnd接地，引脚sw经电感l1输出电源正极vcc，引脚sw还经二极管d4接地，引脚fb经电阻r8接地，引脚comp经电容c12和电阻r9后接地；电感l1的输出端经电容c8接地，经电阻r7与引脚fb连接，还分别经电容c10、电容c11和串联连接的电阻r3和二极管ds1后接地。

具体地，如图5所示，喷淋控制模块中的继电器控制电路包括电阻r1、电阻r2、二极管d1、发光二极管d2、三极管q1和继电器k1、所述三极管q1的基极与第四主控模块的输出端连接，三极管q1的基极还通过电阻r1与电源正极vcc连接，集电极通过并联连接的继电器k1和二极管d1与电源正极vcc连接，发光二极管d2和电阻r2串联后并联在继电器k1两端；继电器k1的触点设置在喷淋装置的控制电路中。

如图6所示，为上位机接收器的电路原理图，上位机接收器通过usb接口与上位机连接，其用于接收主机模块发送的温度数据，并发送给上位机进行存储和分析，其中，第三主控芯片通过第三无线通信模块（nrf24l01）无线接收主机模块发送的温度数据，通过usb总线芯片ch340将数据发送至上位机。此外，上位机接收器也包括电源转化电路，其将上位机提供直流电压vcc转化为直流电压3.3v后为无线通信模块供电。

本实施例中，在从机部分，显示屏共显示两行内容，第一行内容为该测温点序号，第二行为表、中、底三个位置的温度，该温度单位为摄氏度，精确到小数点后一位。从机左侧有两个按键，上方的按键为背光开关，在需要观测时打开，不需要观测时关闭，以节约电量。下方的按键为总开关，打开开关从机开始工作。

在主机部分，显示屏显示两行内容，第一行为测温点表、中、底三点的温度，第二行显示三项内容，第一项为养护阈值温度，超过该温度则进行喷淋养护，第二项为当前所显温度的测温点序号，第三项为短信发送间隔时间。主机左侧有两个按键，功能与从机相同。显示屏下方有三个按键，左侧按键对养护阈值温度，中间为测量点切换，通过按下该按键，切换显示不同测量点的温度。右侧按键为发送短信间隔时间切换键，通过按下该按键，调整短信发送的间隔时间。

上位机接收装置无需按键和显示，只需将该模块连接至电脑usb口，就可实现数据传送至上位机。

在电脑上安装上位机软件，使用usb连接线与接收器连接，安装ch340驱动，待驱动程序安装完成后打开应用软件。设置应用软件端口号为“com5”，串口波特率“9600bps”，点击“运行”按钮即可完成电脑与主机接收端数据联通，继而使用电脑应用软件对相关数据进行记录、存储、并且生成表格文件。

打开电脑上位机软件，进行串口配置，检查串口配置正确。

当参数配置正确后，点击运行此时上位机界面会出现主机发送来的温度数据。

喷淋控制模块直接连接在配电箱和和喷淋装置上，无需手动操作，通过主机模块上的程序判断当前温度与温度阈值之间的关系，来判断是否需要开启喷淋，若需要，主机模块发送开启信号至喷淋控制模块，控制喷淋装置开启。

本系统各部分相互配合，共同实现了设计目标，既能够实现温度实时测量并实现温度显示和记录，同时能够向使用者短信发送温度，并能够在温度过高时自动进行喷淋养护，形成了系统闭环，功能齐全，实用性强，性价比高。

本发明的工作原理如下：从机模块分别设置在混凝土的不同检测点处，每个从机模块的三个传感器分别放置在检测点的表、中、底三个位置，不同从机模块测量的温度传输到主机模块进行汇总后将温度数据实时发送至上位机，同时根据设定时间通过移动通信模块将温度数据发送至移动终端（例如通过短信的形式发送至用户手机）；此外，主机模块还可以判断温度值是否超限，若超限则通过无线通信向喷淋控制模块发送开启喷淋信号，则喷淋控制模块控制喷淋装置进行喷淋，实现混凝土的自动养护。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。