邵羽達(dá) 楊德草 / ．江蘇省計量科學(xué)研究院；.南京郵電大學(xué)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)在我國取得高速的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域開始利用物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)來提升管理。該前沿技術(shù)同樣可以應(yīng)用至計量檢測部門，尤其隨著信息技術(shù)的發(fā)展，主流的試驗裝置、儀器都配置了數(shù)據(jù)接口，為實現(xiàn)檢測實驗室的萬物互聯(lián)提供了可能，大至各類大型儀器平臺，小至單臺溫度數(shù)據(jù)采集儀，都可以實現(xiàn)物聯(lián)從而達(dá)到遠(yuǎn)程值守[1-3]。

目前，國內(nèi)各大檢測實驗室存在裝備多、試驗周期長、維護(hù)繁瑣等特點，尤其在產(chǎn)品的型式評價中，一些涉及壽命試驗的高低溫試驗箱、溫濕度振動三綜合箱等裝置，在試驗期間需要人員長期值守。試驗期間人員不能輕易離開，人員調(diào)度靈活性低導(dǎo)致工作效率低下，而夜間輪班值守帶來的人員疲勞還會帶來誤操作的可能[4]。因此，如何實現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程檢測操控從而達(dá)到無人值守，成為實驗室需要解決的問題，而日益發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)以及云平臺技術(shù)，為解決該問題提供了很好的手段[5]。

本項目的研究意義在于探索一種更方便高效可靠的途徑，利用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺服務(wù)等熱門技術(shù)節(jié)省二次開發(fā)所需要的成本。該系統(tǒng)具備優(yōu)良的兼容性，能夠幫助檢測實驗室輕松實現(xiàn)各類試驗裝置以及試驗樣品即插即用式的快速簡便物聯(lián)，同時設(shè)計檢測過程故障診斷、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、緊急故障時電源遠(yuǎn)程控制等綜合性的檢測功能，達(dá)到遠(yuǎn)程值守、監(jiān)測、分析、操控、報告自動生成等目的。為國內(nèi)各類檢測實驗室提供一種通用的遠(yuǎn)程值守方案，從而提升實驗室的檢測與管理能力。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過自行設(shè)計的無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置實現(xiàn)與現(xiàn)場被監(jiān)控試驗裝置的數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)通過4G 模塊交互云平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶通過手機(jī)APP 或網(wǎng)絡(luò)客戶端對現(xiàn)場的監(jiān)控，緊急情況下可立即關(guān)斷現(xiàn)場電源，同時現(xiàn)場可增加監(jiān)視器實現(xiàn)圖像的遠(yuǎn)程監(jiān)視。具體架構(gòu)見圖1。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)的試驗裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺系統(tǒng)架構(gòu)（以振動臺為例）

2 硬件組成

2.1 控制板組成

由DC-DC 供電單元、MCU 單元、以太網(wǎng)、RS485、RS232、4G 模組、WiFi 模塊等常用通信接口單元，USB Host、USB Type-C 接口，配置按鍵與指示燈，鐵電存儲及實時時鐘單元，繼電器輸出、開關(guān)量輸入，以及外部看門狗等組成。設(shè)備供電采用直流12 V 輸入經(jīng)過DC-DC 和LDO 降壓得到5 V和3.3 V，給MCU 及各類外設(shè)器件供電。MCU 單元通過RMII 接口連接以太網(wǎng)PHY 芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。RS485、RS232、4G 模組、WiFi 模塊等通信接口都采用UART 與MCU 單元通信。以太網(wǎng)、RS485、RS232、USB 等下行接口用于連接現(xiàn)場不同類型的試驗設(shè)備，根據(jù)設(shè)備協(xié)議解析處理后將數(shù)據(jù)通過4G 或WiFi 上行接口傳入云平臺，用于手機(jī)和計算機(jī)端交互展示[6-8]。繼電器輸出和開關(guān)量輸入用于遠(yuǎn)程或本地控制試驗裝置以及樣品的供電。實時時鐘和鐵電存儲器用于提供操作時間基準(zhǔn)和用作存儲運行配置參數(shù)，如試驗設(shè)備Modbus TCP 通信的IP 和端口等?？刂瓢褰M成示意見圖2。

圖2 控制板組成示意圖

2.2 控制板嵌入式軟件設(shè)計方案

嵌入式軟件采用FreeRTOS 實時操作系統(tǒng)，移植LWIP 軟件協(xié)議棧實現(xiàn)TCP/IP 通信。按照各單元功能劃分成不同的任務(wù)，如以太網(wǎng)通信、485 通信、232 通信、4G 通信、WiFi 通信、按鍵指示燈、繼電器輸出和開關(guān)量輸入等任務(wù)，由嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，同時可按照任務(wù)對實時性方面要求設(shè)置不同的任務(wù)優(yōu)先級，保證任務(wù)運行的實時性[9-10]。

3 遠(yuǎn)程用戶監(jiān)控軟件設(shè)計

以安全、穩(wěn)定的面向?qū)ο笳Z言Java 作為軟件設(shè)計基礎(chǔ)，通過HTTP 通信協(xié)議，調(diào)用阿里云平臺的API 接口，讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)。運用Android Studio 安卓開發(fā)軟件，結(jié)合Gradle，調(diào)用MP Android Chart 開源框架，設(shè)計出一套集終端數(shù)據(jù)存儲、曲線展示、參數(shù)設(shè)置、緊急處理為一體的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[11]。手機(jī)APP 界面如圖3 所示。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面截圖

4 系統(tǒng)測試

以實驗室電能表可靠性壽命試驗為例，研究電路對裝載電能表樣品的快速溫變試驗箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控，經(jīng)過初步的現(xiàn)場調(diào)試，溫度設(shè)置在55 ℃、濕度控制在90%RH，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控分析，得到的快速溫變試驗箱控制界面以及手機(jī)APP 現(xiàn)實界面的溫度數(shù)值比較，具體如表1 所示。

表1 快速溫變試驗箱和手機(jī)APP 監(jiān)控溫濕度數(shù)值比較

實驗室快速溫變試驗箱的準(zhǔn)確度要求是±2 ℃，±3%RH，遠(yuǎn)程監(jiān)控界面能做到無偏差跟蹤監(jiān)控，可以不計系統(tǒng)監(jiān)控誤差的影響，時延不到1 s，能夠滿足產(chǎn)品型式評價實驗遠(yuǎn)程實時監(jiān)控的要求。

5 結(jié)語

通常的遠(yuǎn)程檢測裝置需要從前端傳感器到數(shù)據(jù)處理主機(jī)再到后臺服務(wù)器及軟件的全端開發(fā)，成本很高，而且只能實現(xiàn)被開發(fā)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，沒法實現(xiàn)已有實驗室各類參數(shù)的通用。用本文設(shè)計的方案進(jìn)行開發(fā)，最大的優(yōu)點是便攜易安裝，其多數(shù)據(jù)接口、即插即用的性能可以針對各種具備數(shù)據(jù)接口的實驗室裝置以及樣品實現(xiàn)物聯(lián)，可以充分利用實驗室已有的檢測資源，省去日常整套遠(yuǎn)程檢測設(shè)備開發(fā)的麻煩[12]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種實驗室測試參量都可以通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能手機(jī)以及相應(yīng)運營商云平臺功能的增強(qiáng)為遠(yuǎn)程監(jiān)控實驗室的大型裝備運行提供了便利的條件，從而為第三方實驗室開展無人值守測試提供了良好的技術(shù)支撐。隨著技術(shù)的發(fā)展以及云平臺成本的降低，越來越多的實驗室會采用該方法對現(xiàn)場試驗裝置實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，解放勞動力，達(dá)到無人值守，減少人員疲勞帶來的誤操作，提高試驗可靠性，從而降低相應(yīng)的人力以及物力成本[13]。