地基于物联网技术的地下除湿系统开发

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论文字数:36566 论文编号:sb2021101811090538840 日期:2021-10-25 来源:硕博论文网
本文是一篇物联网技术论文,本文为实现除湿系统功能所做的工作主要有以下内容:(1)MPS 多脉冲电渗透除湿装置的开发:基于电渗透原理,完成了 MPS 多脉冲电渗透除湿装置的电路原理图设计、PCB 设计及 MPS 控制箱的实物开发。根据国外很多电渗除湿的实验结果选择了一个除湿效果最好的脉冲波形,完成了单片机脉冲控制程序开发。(2)信息采集模块开发:采用温度传感器来采集电路板温度信息,避免电路板温度过高损害系统安全性;添加一款直流风扇,用于系统电路板温度过高时进行散热。采用电流传感器检测脉冲电流,脉冲电流的大小可以反映对墙体进行除湿的进程;设计一段线路连接故障诊断电路,用来检测除湿电极的线路是否正常连接。

1 绪论

1.1 研究背景及意义
随着我国经济发展和城市化进程的不断加快,城市地表空间愈发拥挤,许多城市的基础设施建设速度落后于城市面积扩展速度和人口增长速度[1],引发了交通拥堵、城市环境恶化等一系列问题,制约了城市经济的进一步发展。面对城市化过程中的土地资源紧张、发展空间不足等问题,对地下空间的开发利用成为扩展城市空间的重要方法[2-3]。近些年来,许多地区在城市化建设的过程中着力于地铁、地下商场、地下车库等地下建筑设施的开发。
在科技高速发展、地下空间迅速开扩利用的同时,人们对地下建筑的质量要求和地下活动的便利需求也日益增高。由于地下建筑多被周边岩土包围,其所处空间较为封闭,导致空气流通性差及湿度高、光照不足等问题,尤其在一些地下水位较高的富水地区,在地下空间开发过程中极易发生地下水渗漏问题[4],严重影响许多地下设施的使用寿命,甚至危及建筑物结构安全。当地下建筑的墙体发生渗漏时,地下水中的氯离子和硫酸根离子会腐蚀墙体内的钢筋,降低钢筋韧性和强度[5-6],同时可能面临混凝土开裂问题,墙体产生裂缝并逐渐增大,使部分钢筋暴露,导致墙体渗漏现象呈恶性循环态势加重,伴随而来的问题还有部分墙面鼓起、墙面表皮脱落,严重影响墙面美观;建筑内置电器受潮发生短路导致的安全隐患。地下空间水渗漏严重时还会导致内部环境空气潮湿,较差的空气质量会对工作人员或地下行人的身体健康造成不良影响。因此,防渗除湿是创造地下场所良好环境的保障措施,解决地下建筑墙体渗漏问题具有重要意义。
图 1.1 地下水渗漏
图 1.1 地下水渗漏
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1.2 MPS 电渗透除湿技术研究现状
1.2.1 MPS 电渗透除湿技术国外研究现状
电渗透现象于 1809 年被 Reuss 先生通过实验发现。电渗透现象即混凝土内部毛细孔结构的水中带有阳离子,这些离子能与水一起移动,而且通过在外部安装的电磁场,能够将毛细孔结构内部的水定向移动,电渗透现象的发现为 MPS 电渗透除湿技术的诞生奠定了坚实的理论基础。在 1906 年,欧洲最早采用电渗透技术用于砌石墙的防水,当时的主要技术内容是在墙壁潮湿点安装一个稳定的正极直流电,通过排出砖石内毛细孔内部水分来防渗除潮。
后来,国外对 MPS 电渗透除湿技术进行了大量的实验研究,其中包括对正负电极材料的选择,测试单元的调整与设备结构的改造以及实验方法的优化,记录 MPS 多脉冲电渗透除湿技术的实验数据总结[17-18]。其中,对于脉冲格式的实验获得了丰富的理论基础和实验结论,对于不同的地板和墙壁等各类实验环境,都制定了详尽的设备安装方案和实验测试方法,此外对电脉冲除湿系统的电能消耗也完成了一些记录和评估。
MPS 多脉冲电渗透除湿技术在西方国家的很多地下工程中已得到广泛应用,在挪威、德国、美国等国家,其对电渗透除湿技术的研究和实践已取得一定的成果。在军工领域,有著名的美国陆军实验基地;在民用领域,有挪威的地下火车站等地下空间,对该除湿技术都已投入全面的应用,这些国家也在对 MPS 多脉冲电渗透除湿技术的应用过程中得出了许多成熟的技术理论和丰富的实践经验。目前,德累斯顿工业大学 Dewen博士团队基于 MPS 多脉冲电渗透除湿技术开发了一套智能化的地下除湿系统,该除湿系统采用数字化控制,具备自动除湿功能,展现了非常好的除湿效果,这套智能除湿产品在投入市场以后广受好评。
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2 系统的总体设计

2.1 系统功能需求分析
结合第一章对工作内容的简单介绍,本文所开发的基于物联网技术的地下除湿系统应具备的功能需求如下图所示,包含地下除湿系统的基本功能需求和基于物联网技术的远程监控功能需求。
图 2.1 系统功能需求框架
图 2.1 系统功能需求框架

2.1.1 除湿系统基本功能需求分析
对于地下空间的 MPS 多脉冲电渗透除湿装置来说,随着国内电渗透防渗技术的不断进步,相关除湿防渗产品在市场中的占比持续增加,对 MPS 电脉冲发生的可靠性和稳定性要求逐渐提高[26]。对除湿现场信息参数的读取是大多数各类除湿系统或者环境监测系统都具备的基本功能,对于 MPS 电渗除湿装置来说,电渗除湿电流也是该除湿系统的重要工作参数。在自动除湿的工作模式下,电渗除湿电流大小能一定程度上反映当前的除湿进度。此外,很多电渗透除湿系统存在电路连接故障或温度过高等安全隐患,若用户不能立刻明确系统的故障来源,系统也无法判断故障并发出实时预警,就很难保障客户对产品质量的满意度。因此,在提供稳定周期的脉冲电流功能基础上,实现系统的故障检测功能,包括在系统未发生故障之前,预先检测出问题并发出故障告警,是系统需要开发的基本功能需求。
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2.2 物联网技术分析
随着信息传感设备的不断升级和通信技术的发展,物联网架构在 21 世纪经历了多次更新换代,伴随着相关技术的持续进步,物联网展现了强大的生命力[27-28]。发展到今天的物联网架构主要划分为三个层面,分别是感知层、网络层和应用层,物联网层次结构如图 2.2 所示。

图 2.2 物联网结构
图 2.2 物联网结构

(1)感知层
感知层是物联网结构中负责感知物体和采集信息的部分。应用于物联网感知层的技术主要是各种信息的感知与识别技术[29]。感知层的传感器等各类电子元器件构成的传感电路,可以采集现场的环境参数等信息并进行处理,通过各类接入网络把处理后的数据与网络层进行信息交互。
(2)网络层
网络层建立于互联网和移动通信网的基础上,是物联网概念中万物互“联”的关键,网络层的主要作用是将感知层传递的信息进行关键处理,并将信息与物联网的终端应用层进行交互。网络层负责对来自感知层数据信息的打包处理及传输,能够实现感知层数据和应用终端控制信息的双向传输[30]。
物联网的核心技术之一即数据的可靠存储、处理与传输,网络层对感知数据的管理与传输技术实现的效果正是如此。近年来,很多云服务平台凭借其庞大的感知数据存储空间和计算能力,担任了很多物联网控制系统中网络层的重要组成部分。
(3)应用层
应用层是物联网提供给用户的终端管理模型,既用于传输数据的智能化管理,也能够为用户提供系统控制和运营的综合管理平台。物联网的应用常用于环境监测、工业监控、智能家居等功能领域[31]。随着云计算技术标准及软件和算法标准的不断提高,应用层可以针对不同的行业需求,为用户提供相应的智能化终端。
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3 系统除湿模块的软硬件开发....................................14
3.1 电渗透除湿技术原理简介................................14
3.2 除湿模块硬件开发.......................................15
4 信息采集与交互模块开发................................25
4.1 除湿电流检测单元................................ 26
4.1.1 电流传感器选择...............................26
4.1.2 LTS25-NP 工作原理............................. 27
5 基于云平台的物联网模块开发..........................41
5.1 云平台方案选型...................................... 41
5.1.1 中移物联 OneNET 平台.................... 41
5.1.2 机智云服务平台.....................42

5 基于云平台的物联网模块开发

5.1 云平台方案选型
5.1.1 中移物联 OneNET 平台
OneNET 开放平台是由中移物联网有限公司打造的 PaaS 物联网开放平台[57]。平台秉持共创万物智联时代理念,为开发者提供了智慧城市、工业物联网等方面的物联网解决方案,也能为独立开发者提供 NB-IoT 物联网套件、MQTT 物联网套件等产品服务。此外,平台也自主研发了一款性能优良且轻松上手的 OneNET 开发板,采用 STM32 单片机作为控制核心,添加 Wi-Fi 模块用于网络通信,能够轻松实现设备的数据获取、存储和展现,完美支持各种产品需求。OneNET 平台物联网应用的主要结构如图 5.1 所示。

图 5.1 OneNET 物联网结构图
图 5.1 OneNET 物联网结构图
OneNET 平台的优势一方面是基于三大运营商之一的中国移动,在物联网通信网络建设中具备雄厚的底层资源优势,在产品推广过程中也拥有丰富的市场经验积累。此外,OneNET 也能为物联网设备开发者提供便利的开发环境,在物联网设备入云开发过程中能够支持多种标准通信协议,提供丰富的 API 接口支持,同时也拥有传输加密服务,保障数据安全。
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6 结论与展望

6.1 结论
随着社会的进步和城市空间的拓展,许多城市中的地铁、地下室及地下商场等地下建筑层出不穷,而地下工程设施普遍面临地下水渗漏问题。地下建筑墙体渗水具有严重危害,容易造成墙皮开裂、墙体裂缝等现象,破坏地下建筑设施的安全性。MPS 多脉冲电渗透除湿技术是应用于地下工程中墙体防潮除湿领域的一种有效措施。物联网是新时代的信息产业浪潮,随着物联网技术的不断升级,许多智能化设备普及在城市的每一个角落,人们正在迎来万物互联的时代。物联网的飞速发展为人们带来了安全舒适的工作环境,提升了生活的便利度和幸福感。本文针对城市中地下建筑墙体渗漏问题,基于MPS 多脉冲电渗透除湿技术和物联网技术开发了一套可以远程监测与控制的智能地下除湿系统。本文为实现除湿系统功能所做的工作主要有以下内容:
(1)MPS 多脉冲电渗透除湿装置的开发:基于电渗透原理,完成了 MPS 多脉冲电渗透除湿装置的电路原理图设计、PCB 设计及 MPS 控制箱的实物开发。根据国外很多电渗除湿的实验结果选择了一个除湿效果最好的脉冲波形,完成了单片机脉冲控制程序开发。
(2)信息采集模块开发:采用温度传感器来采集电路板温度信息,避免电路板温度过高损害系统安全性;添加一款直流风扇,用于系统电路板温度过高时进行散热。采用电流传感器检测脉冲电流,脉冲电流的大小可以反映对墙体进行除湿的进程;设计一段线路连接故障诊断电路,用来检测除湿电极的线路是否正常连接。
(3)交互模块开发:采用一款带有 Wi-Fi 模块的触摸屏作为系统的交互模块,对触摸屏的 UI 界面进行设计,对界面的各类控件进行设置,完成单片机与触摸屏的通讯程序开发,使触摸屏可以显示单片机发送的线路板温度信息、脉冲电流信息,并且触摸屏幕可以控制系统的脉冲开关、散热风扇开关等。
(4)云平台的开发:对几种云平台方案进行了分析选型,最终选用阿里云 IoT 平台作为系统物联网模块的云服务平台。在阿里云 IoT 平台完成除湿系统的产品开发以及用于人机交互终端的 APP 面板开发,基于触摸屏的 Wi-Fi 模块实现了系统入云,完成了除湿系统远程监测与控制的功能开发。
参考文献(略)