基于物联网的氙灯老化试验辅助系统

夏参参，靳 畅

（同济大学 汽车学院，上海 201210）

0 引 言

长时间暴露在光照情况下，汽车零件容易出现变色、开裂、强度降低等质量问题，从而直接影响整车厂的销量，因此通过严格的老化耐久试验来确保每个零件的质量对于整车厂来说至关重要。现阶段，整车厂普遍使用氙灯老化箱进行材料的老化试验，即使用氙灯来模拟太阳光，并通过强化环境因素使得样件在氙灯老化箱内加速老化，缩短试验周期[1]。

与其他耐久试验一样，氙灯老化试验一般执行1 000 h，试验周期较长。一方面，试验工程师迫切地想改变需要定期到试验现场查看设备状态的现状，及时修复因故障导致的试验暂停以及获取光照能量判断试验是否完成；另一方面，维修工程师想改变手工记录灯源使用寿命来指导维护保养的操作。解决这两方面的痛点能够提升试验效率。

本文通过使用物联网技术，设计开发了一套针对氙灯老化试验的辅助系统[2]。该辅助系统在设备边缘布置8通道数采模块，采集温度、湿度、光照、运行状态，并通过ZigBee将数据传输到边缘端工控机，数据经过处理打包后，通过HTTP协议传输到云端，最后使用前端应用Grafana及手机APP实现数据实时可视化展示[3]。同时，通过对采集数据的二次计算，并结合业务逻辑实现设备故障及时通知，试验进度实时掌握，灯源维保计划合理开展。

1 数据采集原理

本文采用设备层、边缘层及存储层物联网架构[4]。在设备层使用DAM模块采集设备的模拟量，经过数采采集后，使用ZigBee模块和RS 485接口将数据通过无线方式传输到物联网网关[5]，采集脚本通过协议进行数据采集后形成消息队列，存储在缓存数据库Redis[6]中，然后将消息队列通过HTTP协议传输到消息中间件Kafka，按照订阅对象分发数据到时序数据库influxDB，从而实现数据在设备端到数据库端的传输。数据结构化后可被各种应用调用消费，数据采集框架如图1所示。

图1 数据采集框架

1.1 设备层

在设备层，将氙灯老化箱的温度、湿度以及光照功率作为参数。通过将氙灯老化箱PLC对应的物理线引出输入到DAM数采模块进行数据采集，使用诚控电子7082系列数采模块实现模拟量输入，量程选择4～20 mA电流信号。使用RS 485协议进行信号输出，寄存器类型选择保持寄存器，分配的地址分别是0x0003，0x0004和0x0005，两台设备分配2个站号，即unit1和unit2，波特率选择38 400 b/s。DAM数采模块与ZigBee通过串口RS 485连接，设备端的ZigBee与边缘端的ZigBee自组网通过信道22建立局域网[7]，实现数据的无线传输。

1.2 边缘层

边缘层通过低功耗的ZigBee模块进行程序采集，脚本使用Python的Pymodbus库采集数据，通过RTU协议进行交互，地址列表见表1所列。使用ModbusSerialClient与数采模块建立连接，获取原始数据[10-11]。

表1 参数信息

因DAM-7082系列是16位有符号数，如果是正数，则第15位为0；如果是负数，则第15位为1。计算真实值时，需使用下式换算[7]：

式中：Val为实际采集值；Adata为Modbus采集值；Range为通道量程。数据处理好后，打包成JSON格式，边缘端网关设置静态IP，通过HTTP协议传输数据。

1.3 存储层

在存储层使用消息中间件Kafka和时序数据库influxDB实现数据的分发、存储及调用。因Kafka是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统，可供多个消费者同时消费每秒数百万的数据信息[8]，常部署在服务器端接收来自边缘端生产者传输的数据。influxDB数据库可高性能查询与存储时序型数据，被广泛应用于存储系统及IoT行业[9]。将influxDB作为Kafka的订阅者，将数据信息转存到数据库中。前端应用可根据设备标签信息及存储的字段使用SQL语句查阅展示氙灯老化箱的实时温度、湿度、光照。

2 数据应用

2.1 试验数据展示

对于实时数据的可视化展示可通过Grafana实现，它能很好地对接influxDB数据库中的试验数据[10]。使用时，在Grafana配置中添加数据源，选择influxDB类型，并配置相应的URL、账号密码，通过测试查看是否与数据库建立连接[11]。

连接成功后，配置相应看板。看板主要用到单值、离散图、曲线图及表格。配置界面如图2所示。两台设备配置在一个看板里，设备采用编号区分，并在各看板下根据实际需求调用数据库中的数据，最终将字段下的数据信息按照时间顺序展示。

图2 看板配置界面

在看板中配置设备的运行状态，温湿度和光照功率的可视化有助于试验工程师及时获取氙灯老化试验的环境信息，并且对光照功率进行时间积分，获得光照累计值，表征样件的试验进度。同时，通过绘制曲线可对历史温湿度变化进行回溯，验证试验过程边界条件的准确性，最后通过表格工具展示查看设备的报警信息。

Grafana采用B/S架构，用户可远程通过浏览器登录访问，掌握老化箱的实时参数，查看试验进度。同时，配置的手机移动端也可实时查看设备参数，远程掌握现场状态。

2.2 信息推送

2.2.1 进度

氙灯老化试验是考察样件暴露在氙灯下一定时间的耐久试验，根据不同的样件选择试验周期时长。通过计算可以获得实时光照累计值，因此只需知道放入样件开始的光照值以及任一组样件需要测试的光照值，即可算得样件完成试验时的光照值。当采集计算的光照累计值等于阈值时，将样件完成试验的信息推送给试验工程师，试验工程师可无间隔差地进行下一步工作，实现试验的无缝衔接。同时，老化箱支持多批样件测试，根据不同批次的样件放入时间及试验周期设置不同的阈值推送，大大提高了氙灯老化箱的试验效率。

2.2.2 光照时长

辅助系统已经采集到氙灯的光照功率，除了计算累计光照外，对氙灯开启的时间进行累计计算，获得光照累计时间，可用于氙灯的维护保养建议。按照设备保养手册，光源累计使用时间达到400 h时，需要对光源进行计量校准；累计使用时间达到1 000 h时，需要更换灯管。根据此逻辑，对光照累计时间设置400 h及1 000 h阈值，计算值达到阈值后推送维护保养策略给维护工程师，进行灯光校准及更换光源，做到主动保养，提高试验质量。

2.2.3 参数报警

根据设备维修手册以及试验工程师的工作经验进行逻辑报警设置：氙灯老化箱舱内温度超过80 ℃报警，光照功率超过（0.55±0.05） W/m2时报警。同时设置报警接收对象，当辅助系统检测到如上逻辑时，按照既定的报警策略以短信或邮件的形式推送给相关试验人员，使相关人员及时掌握氙灯老化试验的运行状况，从而减少设备等待时间，提高设备利用率。

3 结 语

基于物联网技术设计开发了一套用于氙灯老化耐久试验的辅助系统。该辅助系统不仅提高了试验的效率和质量，更具有很强的扩展性。