基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)的型式評價試驗裝置遠程監(jiān)控平臺

邵羽達 楊德草 / ．江蘇省計量科學研究院；.南京郵電大學

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)從而達到遠程值守[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)裝置的遠程檢測操控從而達到無人值守，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、遠程視頻監(jiān)控、緊急故障時電源遠程控制等綜合性的檢測功能，達到遠程值守、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)遠程用戶通過手機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，用于手機和計算機端交互展示[6-8]。繼電器輸出和開關(guān)量輸入用于遠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程監(jiān)控系統(tǒng)[11]。手機APP 界面如圖3 所示。

圖3 遠程監(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，進行遠程監(jiān)控分析，得到的快速溫變試驗箱控制界面以及手機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APP 監(jiān)控溫濕度數(shù)值比較

實驗室快速溫變試驗箱的準確度要求是±2 ℃，±3%RH，遠程監(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)品型式評價實驗遠程實時監(jiān)控的要求。

5 結(jié)語

通常的遠程檢測裝置需要從前端傳感器到數(shù)據(jù)處理主機再到后臺服務(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)遠程監(jiān)控。智能手機以及相應(yīng)運營商云平臺功能的增強為遠程監(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)遠程監(jiān)控，解放勞動力，達到無人值守，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]。