基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境試驗(yàn)箱溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

李曉茜，丁勇，安淇雨

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院，深圳 518055）

引言

溫度類試驗(yàn)主要用于模擬產(chǎn)品的不同使用環(huán)境，以此考察產(chǎn)品對溫度應(yīng)力的耐受性。該試驗(yàn)驗(yàn)是適用范圍廣的基礎(chǔ)測試，檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)常有開展。溫度試驗(yàn)使用的溫箱在設(shè)定程序后，可24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，有的測試條件會要求連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)上千小時。這中間，溫箱控溫的穩(wěn)定性，箱內(nèi)樣品尤其是上電樣品的散熱情況，都需要隨時關(guān)注[1]。比較傳統(tǒng)的方法，是會安排人力巡視，確認(rèn)試驗(yàn)箱和樣品狀態(tài)是否正常。這種方式會占用大量的人力資源，而且在溫箱跨樓層跨基地分散布置的情況下，巡視人員無法確保險情發(fā)生時第一時間在場。考慮到這種情況，近些年新開發(fā)的溫箱已實(shí)現(xiàn)在線聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。但對于開展業(yè)務(wù)較早的機(jī)構(gòu)，存在多品牌，多型號溫箱混用的情況，無法統(tǒng)一使用某一品牌的監(jiān)測軟件[2]。本文主要針對這種情況，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境試驗(yàn)箱溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。在不更換溫箱的情況下，采用加裝溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)收發(fā)報警器，定制云平臺的方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室溫箱智能化管理，提升了安全管理的質(zhì)量及效率，保障了生產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與架構(gòu)

環(huán)境試驗(yàn)箱在線智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對可能引起火災(zāi)等安全事故的主要因素進(jìn)行持續(xù)的數(shù)據(jù)跟蹤采集與統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時發(fā)現(xiàn)線路、溫箱和上電樣品存在的安全隱患，即時預(yù)警，消除電氣火災(zāi)安全隱患，實(shí)現(xiàn)“防患于未燃”的目的，以便解決實(shí)驗(yàn)室設(shè)備分散巡查難、電氣隱患肉眼無法直觀檢查等隱患排查難題。通過選用具備特定功能的傳感器、智能網(wǎng)關(guān)報警器以及建設(shè)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管平臺，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)現(xiàn)場與巡查人員、試驗(yàn)工程師的信息交互，讓他們能隨時隨地掌握設(shè)備與現(xiàn)場隱患，并及時進(jìn)行管控[3-5]。

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，感知層為加裝在試驗(yàn)箱內(nèi)的溫濕度傳感器，傳輸層為箱外的網(wǎng)關(guān)報警器，通訊層為移動空中網(wǎng)，展現(xiàn)層為電腦端和手機(jī)端的在線監(jiān)測云平臺。溫濕度傳感器采集溫度、濕度等主要運(yùn)行參數(shù)。通過箱外的網(wǎng)關(guān)報警器，接入在線監(jiān)測云平臺進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)管理。當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過了設(shè)置的告警閾值時，智能網(wǎng)關(guān)報警器通過4G移動通信，將告警信息送至在線監(jiān)測云平臺，平臺將超溫告警信息通過現(xiàn)場蜂鳴器，電腦端彈窗和短信功能通知用戶。

圖1 智能監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 不同耐候性多傳感器融合系統(tǒng)

檢測實(shí)驗(yàn)室常見的溫箱種類繁多，包括溫度標(biāo)箱、快速溫變箱、溫度沖擊箱及烤箱等。若不是統(tǒng)一采購，這些試驗(yàn)箱會存在品牌、型號多樣，很難采用某一品牌的監(jiān)測系統(tǒng)。又因設(shè)備的溫度跨度大（至少（-70～300）℃），包含了極寒和酷熱工況。在選擇監(jiān)測傳感器時，為追求性價比，建議混用多類型的傳感器，如市面上常見的數(shù)字溫濕度傳感器（-40～125）℃和PT100耐高低溫模擬溫度傳感器（-70～300）℃。常規(guī)溫度范圍的設(shè)備，建議用低成本數(shù)字溫濕度傳感器，選擇汽車級集成電路定制。溫度范圍跨度大的，可以選用更嚴(yán)酷的模擬傳感器、定制線纜、數(shù)據(jù)采集模塊及無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。同時，需要定制兼容數(shù)字溫濕度傳感器、模擬溫度傳感器、濕度傳感器的綜合系統(tǒng)。

2.2 遠(yuǎn)程可設(shè)定的設(shè)備現(xiàn)場報警器開發(fā)

區(qū)別于簡單的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，新開發(fā)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向無線傳輸、現(xiàn)場設(shè)備需自帶微處理器和聲光報警器。新設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)收發(fā)報警一體機(jī)是通過4芯數(shù)據(jù)線對傳感器進(jìn)行供電，使用WIFI無線模塊上傳傳感器數(shù)據(jù)信息，接收服務(wù)器端閾值設(shè)置命令。自帶現(xiàn)場聲光報警器，溫濕度超過閾值可進(jìn)行現(xiàn)場報警提示。自帶繼電器聯(lián)動輸出，超過閾值可進(jìn)行現(xiàn)場聯(lián)動處置。高速上傳溫度記錄，完整記錄溫變速度過程，可0.1 s一次。由此可實(shí)現(xiàn)設(shè)備如超出設(shè)定溫度范圍，除了遠(yuǎn)程、移動端提示，還可現(xiàn)場聲光報警。

2.3 與環(huán)境試驗(yàn)室業(yè)務(wù)高度匹配的軟件平臺定制開發(fā)

考慮到實(shí)際使用情況，定制開發(fā)了與實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)高度匹配的軟件平臺。實(shí)際平臺工作過程為：數(shù)據(jù)收發(fā)器通過wifi連入云端平臺；平臺軟件和手機(jī)APP通過云端服務(wù)器接收數(shù)據(jù)；平臺軟件通過云端遠(yuǎn)程下發(fā)對傳感器的控制指令；控制電腦控制顯示屏展示數(shù)據(jù)。具體效果圖如2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖

3 平臺設(shè)計(jì)及功能模塊

3.1 溫濕度監(jiān)測管理平臺

溫濕度監(jiān)測管理平臺是環(huán)境試驗(yàn)箱溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的集中網(wǎng)絡(luò)管理平臺，用于管理安裝的設(shè)備、資產(chǎn)信息、查看監(jiān)測數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)報警人員。登錄系統(tǒng)后，可以查看系統(tǒng)管理、資產(chǎn)管理、歷史記錄、試驗(yàn)箱運(yùn)行統(tǒng)計(jì)和日志記錄等一級菜單。該平臺可以對試驗(yàn)箱溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對超溫情況進(jìn)行預(yù)警，防止試驗(yàn)箱溫度過高，損壞設(shè)備或樣品，避免引發(fā)火災(zāi)。平臺在發(fā)現(xiàn)超溫預(yù)警時，可通過遠(yuǎn)程、移動端提示、現(xiàn)場聲光報警等多種途徑及時通知負(fù)責(zé)的工程師，確保實(shí)驗(yàn)安全。

3.2 主要功能模塊

3.2.1 實(shí)時狀態(tài)顯示查詢

系統(tǒng)能正確顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)（停機(jī)，運(yùn)行，超溫故障），并可設(shè)置停機(jī)為灰色顯示，運(yùn)行為綠色顯示，超溫故障為紅色顯示。可選配輪播所有設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的大屏顯示系統(tǒng)，大屏界面能實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫濕度監(jiān)測的實(shí)時狀態(tài)顯示，并能通過自動翻頁顯示所有監(jiān)測中設(shè)備，翻頁時間、刷新時間均可設(shè)置調(diào)節(jié)，方便實(shí)驗(yàn)室工程師和巡查人員查看。同時，用戶在移動端也可查看設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.2 現(xiàn)場及遠(yuǎn)程異常報警

系統(tǒng)可進(jìn)行多臺監(jiān)測傳感器組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)100臺以上設(shè)備同時監(jiān)測。系統(tǒng)對境內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測傳感器，無地址要求，境內(nèi)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備均可接入。系統(tǒng)軟硬件能相互兼容，可完成智能溫度監(jiān)測設(shè)備的系統(tǒng)性監(jiān)測。云端平臺能將監(jiān)測傳感器及網(wǎng)關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)信號正確解析顯示，并能及時發(fā)現(xiàn)上傳的報警、離線等信息。溫箱報警溫度范圍、報警顯示方式均可設(shè)置。當(dāng)出現(xiàn)異常超溫故障時，系統(tǒng)能在大屏的當(dāng)前頁面彈出超溫故障的報警，并發(fā)出聲音警示，同時觸發(fā)其他設(shè)置的警示方式（如短信，APP），及時提醒不在現(xiàn)場的相關(guān)人員處理故障。

3.2.3 設(shè)備資產(chǎn)管理

系統(tǒng)可一次性錄入設(shè)備資產(chǎn)情況，在選擇設(shè)備時主界面會顯示設(shè)備資產(chǎn)信息包括資產(chǎn)編號、廠家、溫度范圍、計(jì)量有效期、內(nèi)容積、資產(chǎn)位置、額定功率、資產(chǎn)管理員等，方便管理使用設(shè)備。在網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備工況修改情況會被記錄，如在線填寫運(yùn)行工況、上下限值、修改時刻、操作人員信息等。設(shè)備運(yùn)行記錄可被記錄統(tǒng)計(jì)，如設(shè)備的7日內(nèi)運(yùn)行記錄、24 h內(nèi)溫濕度曲線。

系統(tǒng)具備工作時長統(tǒng)計(jì)功能，能統(tǒng)計(jì)每臺箱子的工作時長，可查詢上一個月份的總工作時長占比。系統(tǒng)能夠顯示每個設(shè)備的逐日和累積高溫段、低溫段及常溫度的工作時長。任意設(shè)備的工作溫度段累計(jì)可查可分析，還可對設(shè)備利用率進(jìn)行分析，生成溫箱利用率數(shù)據(jù)，所有設(shè)備工作時間排行榜（按工作時間、按高溫時長、按低溫時長排行）。

3.2.4 數(shù)據(jù)存儲分析

系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲功能，可進(jìn)行測試數(shù)據(jù)存儲并可進(jìn)行后期數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，支持對同一設(shè)備按高溫降序排列、按低溫升序排列，可迅速查找設(shè)備運(yùn)行的溫度極值及日期。數(shù)據(jù)導(dǎo)出可設(shè)置不同導(dǎo)出方式，如按傳感器、時間導(dǎo)出記錄、按工作時長導(dǎo)出記錄、導(dǎo)出資產(chǎn)管理記錄，可滿足日常測試管理需要。

4 總結(jié)

環(huán)境試驗(yàn)箱溫度監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室自動化、智能化管理，支撐檢測機(jī)構(gòu)及時處理實(shí)驗(yàn)室突發(fā)狀況，有效減少意外事件發(fā)生，切實(shí)保障人身財(cái)產(chǎn)安全。智能網(wǎng)關(guān)、4G無線組網(wǎng)的應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室升級項(xiàng)目中施工周期長、難度大、破壞既有裝修、影響測試安排等問題。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該系統(tǒng)有效提升實(shí)驗(yàn)室安全管理的質(zhì)量及效率，降低安全監(jiān)管成本。