基于AIoT技術的計量校準實驗室數字化轉型

方逸洲，張青野，趙中瑞，吳文俊

（1.上海儀電（集團）有限公司中央研究院，上海 200233；2.上海電動工具研究所（集團）有限公司，上海 200233）

0 引言

隨著數字化轉型的時代到來，數據成為了重要的生產要素，數據驅動成為了重要的生產力。AIoT（人工智能+物聯(lián)網）技術，[1]是數字化轉型的重要基礎技術。AIoT 物聯(lián)網技術解決數據采集與上傳問題，AIoT 人工智能技術解決數據分析與智能化問題。

計量校準實驗室的數字化轉型，其主要任務是推動傳統(tǒng)實驗室以數據為核心，本質并不是簡單的去人工化，而是人、計量校準實驗設備以及智能化軟硬件有機結合，聚焦在實驗數據上。在符合計量校準流程規(guī)范和法規(guī)標準的前提下，建設數字化的實驗室。[2-3]本文結合AIoT 產品和技術，介紹數字化實驗室的實踐與探索。

2 數字化轉型系統(tǒng)

計量校準實驗室數字化轉型的核心，是緊密圍繞數據，以自下而上的數據流重塑流程，實現(xiàn)實驗室自上而下的價值提升，其系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架

通過研發(fā)的智能軟硬件，實現(xiàn)計量校準實驗設備數據與實驗最終交付物（實驗結果、實驗報表等）之間的數據打通，將實驗交付物價值傳導至實驗設備，形成上下一體的融合效應。計量校準實驗室數字化轉型的目標，是構建實驗人員現(xiàn)場簡便操作、實驗結果現(xiàn)場智能分析、實驗報告現(xiàn)場出具的快速、高效流程。

為了打通計量校準實驗室的數據流，實現(xiàn)計量校準實驗室的價值流，基于AIoT 技術設計軟件和硬件架構如圖2 所示。

圖2 軟件和硬件架構

針對有數據接口協(xié)議的計量校準設備，物聯(lián)網網關打通數據接口，采集與控制設備；針對有配套軟件的計量校準設備，數據分析軟件打通配套軟件實現(xiàn)數據讀取。采集到的數據匯聚至計量校準實驗數據分析軟件中，軟件可以根據計量校準實驗流程，通過物聯(lián)網網關對設備下發(fā)控制指令，實現(xiàn)實驗流程的自動化。

針對實驗室中既無數據接口協(xié)議，又無配套軟件的設備，隨著邊緣人工智能技術的發(fā)展，未來還可以探索使用計算機視覺技術，實現(xiàn)設備顯示面板數據的人工智能抓取。

3 物聯(lián)網網關硬件

3.1 硬件系統(tǒng)

計量校準實驗室數字化轉型，覆蓋萬用表校驗、恒溫槽校驗、互感器校驗等計量校準的常見實驗項目。主要接入校驗設備包括多功能校準儀、堆棧式測溫儀、互感器校驗儀等，主要接入被測設備有多功能萬用表等。

上述設備的數據接口均為標準RS232，其接口通訊協(xié)議均為開放。考慮到后續(xù)對接計量校準實驗設備和被測設備的通用性與兼容性，除了RS232 接口，本文設計的物聯(lián)網網關硬件拓展一路RS485 接口。計量校準實驗數據分析軟件部署于實驗室計算機終端，物聯(lián)網網關與計算機采用USB 接口連接。

在設計上，考慮到對計量校準實驗設備和物聯(lián)網網關本身的防護，在RS232、RS485 接口上設計了浪涌和靜電防護電路，在USB 接口上設計了靜電防護電路。網關硬件框圖如圖3 所示。

圖3 網關硬件系統(tǒng)框圖

3.2 嵌入式軟件

物聯(lián)網網關的嵌入式軟件設計，包含設備的數據采集和控制，以及與計算機端計量校準實驗數據分析軟件的數據通訊。物聯(lián)網網關與不同的設備均為RS232 接口連接，但各設備的接口協(xié)議、串口波特率各有不同。

針對多功能萬用表（被測設備）、多功能校準儀和互感器校驗儀（計量校準設備），發(fā)送遠程控制模式指令，配置指定測量模式（交直流電壓、交直流電流、電阻、頻率等，不同設備有不同的模式）和量程，采集數據。

針對溫度巡檢儀（計量校準設備），僅在物聯(lián)網網關串口初始化后，接收溫度數據即可。

由圖4可知，孔徑D=2.7mm時，壓鉚連接能承受的推出力為1 410N；孔徑D=2.78mm時，推出力只有760N。隨著孔徑的增加，壓鉚螺母的推出力逐漸減小。這是因為板件孔周圍材料受壓力被擠進溝槽中，使螺母與板件連接。當孔徑增大時，被壓入溝槽中的材料變少，接觸區(qū)域也變小。因此，其所能承受的推出力也變小。這表明，為了保證壓鉚連接的可靠性，板件的孔徑應該控制在一定的范圍內。

物聯(lián)網網關與計量校準實驗數據分析軟件通過串口轉USB 進行通訊，波特率為115 200，1 位停止位，8 位數據位，無奇偶校驗位。通訊協(xié)議采用JSON 格式，包括對下控制命令和對上數據上傳。

除了基本控制和上傳交互外，設計中考慮到交互確認、超時跳出等冗余機制，例如數據分析軟件下發(fā)某條控制指令，通過物聯(lián)網網關傳輸至設備，獲得答復后將數據傳輸至數據分析軟件，控制流程確認完成方可進行下次操作。超時或未有答復，則認為數據交互失效。通過各類機制，確保數字化改造后具備的可靠性與穩(wěn)定性。

4 數據分析軟件

4.1 軟件系統(tǒng)架構

計量校準實驗數據分析軟件架構如圖4 所示，基于Electron 和Vue 框架研發(fā)，使用的編程語言包括JavaScript、HTML、Python 和C++等。整個系統(tǒng)分為通訊層、服務層和擴展層。

圖4 分析軟件架構

4.2 通訊層

通訊層主要實現(xiàn)對物聯(lián)網網關和設備配套軟件的通訊，實現(xiàn)設備數據采集、設備控制以及配套軟件中特定實驗數據的采集。針對物聯(lián)網網關，通過串口端口庫，開發(fā)“請求——響應”和“訂閱——監(jiān)聽”通信機制，具備超時、數據核驗等冗余功能。針對設備配套軟件，通過動態(tài)鏈接庫注入方式，遍歷windows 應用程序的特定進程，讀取對應組件，獲取實驗數據。

4.3 服務層

服務層是數據分析軟件的核心層，包含實驗管理、公共組件、數據模板、數據報表等模塊。

實驗管理是計量校準實驗室系統(tǒng)的重要單元，根據不同實驗項目構建不同的實驗流程，采集和控制通訊層，支撐擴展層呈現(xiàn)。以本文構建的多功能萬用表計量校準實驗為例，在實驗管理模塊中實現(xiàn)該實驗的主要流程，包括設備初始化、逐行自定義測量、一鍵測量等功能。

公共組件模塊實現(xiàn)了路由、配置、串口狀態(tài)偵測等通用功能，封裝通用視圖組件，包括矢量圖標、導航欄、標簽輸入等。

數據模板模塊中預加載實驗相關的數據模板，可在數據分析軟件界面進行刪減及修改操作。

4.4 擴展層

擴展層是實驗項目的界面交互層，采用模板設計的方式，支持快速擴展新增計量校準實驗項目。本文設計的分析軟件支持六類計量校準實驗項目，可對多功能萬用表、互感器、恒溫槽、示波器等設備進行計量校準，具有操作便捷、容錯冗余、流程規(guī)范、智能化、自動化等特點，數據分析軟件界面如圖5 所示。

圖5 數據分析軟件界面

5 數字化轉型成效

基于上述設計，對計量校準實驗室進行的數字化改造，已覆蓋了六類計量校準實驗項目。改造后的實驗室以數據為核心，有效提升實驗效率、數據準確率、報告時效性。

以多功能萬用表計量校準實驗項目為例，改造實例如圖6 所示。

圖6 中的計量校準實驗流程涵蓋交直流電壓、交直流電流、電阻、頻率等，共計108 項操作和數據記錄。在數字化改造前，傳統(tǒng)的計量校準實驗流程包括人工操作實驗儀器、記錄數據、整理生成報告、人工核驗等，耗時近2 h。

圖6 改造實例

通過本文設計的系統(tǒng)，數據分析軟件通過物聯(lián)網網關，完成實驗設備通訊確認和模式配置。通過“一鍵測量”按鍵，可在20 min 內完成全部操作，校準實驗操作界面如圖7 所示，校準實驗數據報表如圖8 所示。

圖7 校準實驗操作界面

圖8 校準實驗數據報表

6 結語

AIoT 技術推動計量校準實驗室數字化轉型，圍繞實驗項目的數據流，研發(fā)了物聯(lián)網網關和數據分析軟件，覆蓋了六類計量校準實驗項目。設計的計量校準實驗數字化系統(tǒng)將大量人工操作改進為智能型自動化操控，改進項目達到了提質增效的良好效果。