基于物聯(lián)網(wǎng)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實(shí)儀的研究

摘 要為順應(yīng)當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展趨勢(shì)，也為廠家及施工單位及監(jiān)理單位等試驗(yàn)室相關(guān)管理部門提供大數(shù)據(jù)服務(wù)，本文就馬歇爾重型擊實(shí)儀作簡(jiǎn)單介紹、對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)與馬歇爾重型擊實(shí)儀結(jié)合帶來的好處、系統(tǒng)架構(gòu)、電路研究、軟件設(shè)計(jì)需求等幾個(gè)方面做了一定的闡述，本文對(duì)現(xiàn)有馬歇爾重型擊實(shí)儀的研究增加了相關(guān)的數(shù)據(jù)通信電路，提出了一套新的試驗(yàn)室管理模式即全實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，為設(shè)備云的數(shù)據(jù)鏈路的暢通提供技術(shù)保障，也可以為公路試驗(yàn)室系統(tǒng)研究的相關(guān)工作者帶來一定的創(chuàng)新思維。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 云與大數(shù)據(jù) 重型 馬歇爾 擊實(shí)儀 設(shè)備云 數(shù)據(jù)采集 抗干擾 瀝青混合料 公路工程 工地 現(xiàn)場(chǎng)

1 目前現(xiàn)有馬歇爾重型擊實(shí)儀的簡(jiǎn)單介紹

馬歇爾試驗(yàn)是公路工程中必備的基礎(chǔ)測(cè)試項(xiàng)目，對(duì)于施工單位需要知道碎石與瀝青混合配比是否達(dá)到國(guó)家鋪路材料的標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)理單位也需要知道施工單位鋪路的材料是否合格，故馬歇爾試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)直接影響修路的合格與否，其中制備試件的儀器設(shè)備就有小馬歇爾擊實(shí)儀和大馬歇爾擊實(shí)儀，大馬歇爾擊實(shí)儀也稱為馬歇爾重型擊實(shí)儀。

馬歇爾重型擊實(shí)儀是實(shí)現(xiàn)大馬歇爾試驗(yàn)試件制備的必備設(shè)備，是在傳統(tǒng)手工設(shè)備的基礎(chǔ)上采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過鏈條及齒輪等機(jī)械裝置把一定重量的重錘提高到一定的高度，對(duì)試模內(nèi)瀝青混合料進(jìn)行擊實(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)75（或112）錘，對(duì)熱拌瀝青混合料擊實(shí)成型的過程。擊實(shí)儀分兩部分，第一部分是機(jī)械部分、第二部分是電路部分。機(jī)械部分主要是支架、卡具、電機(jī)、鏈條傳動(dòng)、重錘。電路部分有電氣儀表外殼箱體、傳感器（霍爾傳感器、機(jī)械式開關(guān)）、電路板、交流接觸器、變壓器等?，F(xiàn)有的馬歇爾重型擊實(shí)儀只有試件制備功能，沒有物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能，也不支持云服務(wù)功能更不支持大數(shù)據(jù)服務(wù)功能。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)與馬歇爾重型擊實(shí)儀結(jié)合帶來的好處

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前的科技發(fā)展的趨勢(shì)，是目前乃至十年內(nèi)的各行業(yè)大力發(fā)展的推行的技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)龐大數(shù)據(jù)的采集，通過云服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及分享及計(jì)算分析，真正突破信息孤島，把現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)及設(shè)備自身的狀況等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)廠家、施工單位、監(jiān)理單位等數(shù)據(jù)需求部門跟單位全天候的數(shù)據(jù)服務(wù)。真正實(shí)現(xiàn)公路試驗(yàn)設(shè)備的云服務(wù)，為實(shí)現(xiàn)全實(shí)時(shí)試驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理提供了技術(shù)手段和方法。

我們知道數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可溯源性是試驗(yàn)相關(guān)部門非常關(guān)注的，在實(shí)際工作中，好多數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤、紕漏或作假，人為故意的可能性也有，有的是操作人員疏忽大意，或不小心，或不注意沒有按流程做，擊實(shí)次數(shù)不到要求的次數(shù)，或溫度等條件不滿足。也有設(shè)備本身的問題，例如恒溫設(shè)備溫度誤差大，擊實(shí)儀設(shè)備自身問題導(dǎo)致計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確、甚至漏錘等。

如果有了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云跟大數(shù)據(jù)技術(shù)，我們可以跟蹤每一批次的試件制備的時(shí)間，制備的條件，制備的工作人員，設(shè)備的狀況，設(shè)備的廠家情況，設(shè)備的維修情況等都及時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，當(dāng)有試驗(yàn)人員需要做測(cè)試的時(shí)候，測(cè)試的數(shù)據(jù)與試件制備的數(shù)據(jù)可以串聯(lián)起來，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)室的全生態(tài)鏈的數(shù)據(jù)服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)，杜絕試驗(yàn)室作假，及時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)情況，可以重現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，記錄所有的細(xì)節(jié)為各個(gè)部門提供真實(shí)的過程數(shù)據(jù)。還可以把過程用視頻攝像記錄存儲(chǔ)下來，作為試驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集的配套，可以隨時(shí)重現(xiàn)試驗(yàn)室過程，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)重現(xiàn)。

大數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)容有：

（1）廠家型號(hào)等信息收集，可以分析不同廠家不同型號(hào)的性能好壞，提供給用戶以后采購(gòu)決策服務(wù)；

（2）資產(chǎn)管理部門可以隨時(shí)掌握設(shè)備的總數(shù)量及可用設(shè)備及不可用設(shè)備等信息；

（3）資產(chǎn)管理部門也可以知道的設(shè)備的運(yùn)行空置情況，好掌握設(shè)備的運(yùn)行總時(shí)間等信息，為維保提供依據(jù)；

（4）工地試驗(yàn)室及監(jiān)理公司可以看到試件是什么試驗(yàn)室制備的，制備人是誰，有效試件是多少；

（5）可以知道不同人制備的試件成功測(cè)試數(shù)據(jù)的試件是多少；

（6）不同人的效率及成品率。

（7）廠家可以分析了解同一型號(hào)產(chǎn)品在不同區(qū)域的運(yùn)行情況，可以為廠家提供全國(guó)同一區(qū)域和不同區(qū)域產(chǎn)品使用情況的對(duì)比；

（8）廠家可以分析不同型號(hào)的產(chǎn)品在同一地區(qū)的運(yùn)行情況，保養(yǎng)維修情況，可以為設(shè)備提前安排相關(guān)保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支撐，保養(yǎng)的提前通知，設(shè)備檢修準(zhǔn)備提前通知等；

（9）廠家可以適時(shí)了解設(shè)備的故障率，為售后備品備件等提前作好準(zhǔn)備，也為廠家的產(chǎn)品改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐；

（10）廠家還可以通過大數(shù)據(jù)分析了解不同用戶的設(shè)備保養(yǎng)情況、使用情況、壞損率、做出市場(chǎng)銷售的決策，不同客戶采用不同的銷售策略。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實(shí)儀的系統(tǒng)架構(gòu)

馬歇爾重型擊實(shí)儀的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)包括四個(gè)層次：

第一層傳感器層：試驗(yàn)室的單體設(shè)備的計(jì)數(shù)傳感器、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻頭，手機(jī)等，采集的數(shù)據(jù)包括實(shí)驗(yàn)室位置、試件制備的批號(hào)、工作人員的姓名、制備的數(shù)量、設(shè)備運(yùn)行的開始時(shí)間及結(jié)束時(shí)間、保養(yǎng)時(shí)間、保養(yǎng)項(xiàng)目、保養(yǎng)人、維修時(shí)間、維修人、維修問題等；

第二層數(shù)據(jù)鏈路層：無線泛在網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、光纖或其他的有線網(wǎng)絡(luò)；

第三層數(shù)據(jù)中心：云中心的核心就是數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心具有存儲(chǔ)、計(jì)算分析功能，云中心不是普通意義的數(shù)據(jù)中心是基于虛擬化的云管平臺(tái)或基于容器技術(shù)的云平臺(tái)，這樣的平臺(tái)是彈性可擴(kuò)展的；

第四層應(yīng)用服務(wù)層：SASS平臺(tái)軟件提供給監(jiān)理公司、施工單位、設(shè)備廠商提供數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實(shí)儀的電路研究

電路部分包括：電源部分、CPU數(shù)據(jù)采集、鍵盤輸入、顯示強(qiáng)電控制及通信電路部分。

4.1 電源部分包括AC-DC、直流降壓及穩(wěn)壓部分

電源部分主要考慮CPU部分供電與控制部分的電路的地的隔離，需要多組電源供電，CPU控制部分電路與強(qiáng)電部分采用光電隔離器件使強(qiáng)電控制部分的干擾不易影響CPU電路。GPRS等通信部分也單獨(dú)供電。

4.2 CPU數(shù)據(jù)采集

CPU的選型可以采用工藝比較穩(wěn)定的AT89C51，這款CPU在國(guó)內(nèi)流行比較久，抗干擾強(qiáng)。數(shù)據(jù)采集部分應(yīng)該考慮信號(hào)的防抖動(dòng)及抗干擾等問題。數(shù)據(jù)采集還應(yīng)考慮工地現(xiàn)場(chǎng)掉電的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存問題。

4.3 鍵盤輸入

鍵盤輸入是標(biāo)準(zhǔn)電路，采用CPU掃描模式識(shí)別鍵盤的實(shí)際按下具體的某一個(gè)鍵。

4.4 顯示

由于系統(tǒng)不是很復(fù)雜可以采用LED顯示，也可以采用液晶顯示，在工地很多工作人員更喜歡LED顯示，直觀簡(jiǎn)單。液晶顯示太復(fù)雜，操作不便。

4.5 強(qiáng)電控制

CPU的I/O口可以通過光電隔離器件保證強(qiáng)電控制部分的地與CPU弱電的地的很好隔離。CPU的I/O口的驅(qū)動(dòng)能力是控制穩(wěn)定的關(guān)鍵，同時(shí)考慮CPU復(fù)位的間隙CPU的I/O口狀態(tài)對(duì)強(qiáng)電控制的失控。

4.6 通信電路

通信電路應(yīng)該考慮GPS位置信息，GPRS通信接口，網(wǎng)絡(luò)通信接口。這樣就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的云化服務(wù)。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實(shí)儀的軟件設(shè)計(jì)需求

5.1 重型擊實(shí)儀基于AT89C51單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件必須考慮設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的控制初始化，避免誤動(dòng)作；

（2）軟件要考慮系統(tǒng)掉電數(shù)據(jù)保存功能；

（3）顯示位碼設(shè)計(jì)成三位，顯示的內(nèi)容考慮開機(jī)時(shí)如果讀出的誤碼要初始化為0；動(dòng)態(tài)顯示的掃描時(shí)間要大于30貞每秒，否則有不穩(wěn)定的閃爍；

（4）數(shù)據(jù)采集時(shí)對(duì)輸入信號(hào)的防抖動(dòng)軟件處理；

（5）可以與GPS模塊串口通信，可以通過串口與GPRS模塊通信。

5.2 云服務(wù)SASS服務(wù)軟件的內(nèi)容

5.2.1 APP軟件

APP軟件可以支持工地工程師、試驗(yàn)室管理人員、工程施工管理人員、監(jiān)理單位管理人員、設(shè)備廠家維修人員及管理人員、需要數(shù)據(jù)的第三方等使用，手機(jī)APP軟件提供移動(dòng)辦公的可能，對(duì)設(shè)備的設(shè)置及數(shù)據(jù)跟蹤查詢都能夠很方便的完成；

5.2.2 客戶端軟件

功能類似APP軟件，可以完成手機(jī)APP的功能。

5.2.3 服務(wù)器端軟件

通過數(shù)據(jù)的采集整理，通過大量的計(jì)算分析可以提供客戶端及手機(jī)APP端的相關(guān)服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)孤島壁壘打破，極大的節(jié)約了資源，提高了效率，數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人員可以很容易的控制數(shù)據(jù)的流向及數(shù)據(jù)服務(wù)的對(duì)象。

6 總結(jié)

現(xiàn)有的馬歇爾重型擊實(shí)儀僅僅具備自動(dòng)制備試件的功能，沒有數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)皆频墓δ?，不能夠提供更多的?shù)據(jù)共享及提供管理部門相應(yīng)的管理功能，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)的馬歇爾重型擊實(shí)儀試驗(yàn)室系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，傳輸，存儲(chǔ)計(jì)算分析，共享，大數(shù)據(jù)服務(wù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)全實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)溯源，對(duì)設(shè)備的工作狀況及提前維修等提供信息服務(wù)，是貼合目前公路試驗(yàn)室數(shù)據(jù)全生命周期服務(wù)的理念。為施工單位，監(jiān)理單位，廠家及管理機(jī)構(gòu)等，提供非常貼心的服務(wù)。是科技改變未來的真實(shí)實(shí)踐。目前公路試驗(yàn)室管理還沒有類似的系統(tǒng)，這是交通行業(yè)的創(chuàng)新，從簡(jiǎn)單的儀器設(shè)備系統(tǒng)，折射出交通行業(yè)的試驗(yàn)室管理系統(tǒng)的新需求，本文的提出的物聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備云化及大數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用于公路交通試驗(yàn)室管理的思維是非常前沿的創(chuàng)新，為試驗(yàn)過程數(shù)字化，數(shù)據(jù)全生命周期的監(jiān)控提供實(shí)現(xiàn)的方法，能夠?yàn)榻煌ü吩囼?yàn)室管理的跨越式發(fā)展提供非常高的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JTG E20—2011）T0702-2011瀝青混合料試件制作方法（擊實(shí)法），2011.

[2]張陽(yáng)華.基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（17）.

作者介紹

歐陽(yáng)睿騏，女，15歲，北京市人，北京市海淀區(qū)海淀實(shí)驗(yàn)中學(xué)高二錢學(xué)森班理工科班學(xué)生，從小酷愛計(jì)算機(jī)軟件及單片機(jī)硬件相關(guān)知識(shí)，本文是小作者在學(xué)習(xí)了解馬歇爾重型擊實(shí)儀的時(shí)候突發(fā)奇想，把現(xiàn)有設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)及云與大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合碰撞出創(chuàng)新的火花，靈感乍現(xiàn)寫了這篇文章并在專業(yè)老師的指導(dǎo)下準(zhǔn)備付諸行動(dòng)設(shè)計(jì)相關(guān)電路及軟件。

作者單位

海淀實(shí)驗(yàn)學(xué)校高二錢學(xué)森班 北京市 100089