基于物联网的电工电子实验平台设计

王德璋

(新疆轻工职业技术学院，乌鲁木齐 830021)

电工电子实验平台是电工电子实验实施的基础条件，该平台与电工电子课程理论教学联系十分密切，通过该平台可建立电路模型，为学生提供科学理论与实践基础，提高学生科研素养，扩展学生创造性思维。实验平台包括大量的教学环节，如教师指令传达、学生接收教学任务及实验管理等，这就需要电工电子实验平台具有良好的适应性，以满足各方需求。

目前，已有大量研究人员对该领域进行了深入研究，其中常用的实验平台主要有基于LabVIEW的电工电子网络实验平台[1]、基于Matlab的电力电子虚拟仿真实验平台[2]及基于PWM变流器的模块化实验平台[3]，这些平台虽然实现了实验教学的网络化目标，解决了实验资源不足的问题，但是存在平台稳定性不佳和用户指令响应不及时等问题，所以基于物联网技术，设计一个电工电子实验平台。

1 基于物联网的电工电子实验平台设计

基于物联网的电工电子实验平台硬件部分主要由实验管理模块、客户端模块、显示器模块及监控模块构成，该平台的总体架构如图1所示。

图1 电工电子实验平台总体架构图

1.1 电工电子实验平台模块设计

1.1.1 实验管理模块

实验管理模块主要负责对服务器接收到的用户请求进行初步处理，并将处理结果反馈至服务器。实验管理模块是虚拟实验的主要载体，通过该模块运行实验中产生的数据，并对数据进行转发、存储及管理等操作。

1.1.2 客户端模块

客户端模块是电工电子实验平台中最重要的模块，该模块是连接用户与实验平台的主要渠道，其主要功能为显示操作页面、实现用户交互及输出实验结果等。传统电工电子平台在设计客户端模块时，需要用户自行下载客户端插件，并安装到电脑上，才能进行实验操作，增加了用户的操作负担[4]，因此，此次设计的客户端模块以传统技术为基础，对其进行改进，用户无须下载任何软件，其余操作只需交给后台服务器处理即可，节省了大量操作时间。

1.1.3 显示器模块

为电工电子实验平台配备一个显示器模块，选取的显示器为液晶显示器，运用LCD显示屏作为实验结果的输出显示屏。该液晶显示器利用间接控制与直接访问相结合的方式连接LF2327系列DSP芯片与T6942C液晶模块。该模块具有读写信号、采集指令数据、选择信号及数据总线的功能[5]。

1.1.4 监控模块

为实现电工电子平台安全、稳定运行，需要设计一个监控模块，实时监控平台运行情况，在平台发生故障时能够及时作出反应。基于VITA架构设计电工电子实验平台监控模块，通过VITA采集平台运行中产生的各种数据，构成实验平台故障数据库。管理人员可以对数据库中的数据进行实时浏览、存储、分析，达到对平台全程监控的目的。

1.2 电工电子实验平台软件设计

物联网技术主要有射频识别技术、传感器技术与嵌入式技术等，其中，传感器技术是十分关键的，具有采集特定环境中的数据、感知数据及转换数据的功能，剔除干扰数据，并将采集的数据转换成数字信号，提升平台的响应效率和稳定性。

仅通过扫描设备不能够满足实际采集需求，为实现对实验中产生数据与平台运行数据的同步采集，需要对数据采集中的信号进行调节。采用传感器技术对信号进行处理，将信号转换成可处理的数字信号。由于平台中的信号一般较弱，还会附带噪声信号，产生干扰数据，因此，需要进行信号转换，将其转换成数字信号。

运用该平台进行实验时，产生的信号传递函数公式为：

(1)

式中，R1表示输入信号频宽，R2表示输入负载，V表示信号频率值。通过公式(1)得到信号转换过程中的功率耗损为：

(2)

式中，x2表示模拟信号，y2表示数字信号，w2表示含噪信号。

由公式(2)可以看出，通过调节模拟信号可以得到数字信号，同时，能够得到转换过程中产生的含噪信号，将含噪信号进行剔除，降低功率耗损。

综上，通过电工电子实验平台中各硬件模块之间的相互连接作用，并通过物联网技术中的传感器技术转换平台中的数据，实现了平台的快速、稳定运行。

2 实验验证

为了验证设计的基于物联网的电工电子实验平台的使用效果，对其进行实验验证。以Simulink仿真模型为实验平台，以基于LabVIEW的电工电子网络实验平台和基于Matlab的电力电子虚拟仿真实验平台为对比，验证设计平台的有效性。

图2为不同运行时间下，平台运行稳定性系数对比结果。其中，稳定性系数用数值进行表示，具体为0.1～1，数值越大，表示平台稳定性越好，反之，稳定性较差。

图2 平台稳定性对比结果

分析图2可知，随着运行时间的增加，不同平台的稳定性系数均呈现出逐渐增长的趋势，本平台的稳定性系数明显高于其他平台，稳定性系数最高值将近0.9。该平台采用传感器技术感知并釆集实验数据，并将数据进行转换，降低了干扰数据对平台稳定性的影响，提高了平台运行的稳定性。

表1为不同任务量下，不同平台的用户指令响应时间。

表1 用户指令响应时间对比

分析表1中数据可知，用户指令响应时间最短仅为0.9 s，明显低于基于LabVIEW的平台和基于Matlab的平台，说明所设计的系统能够及时响应用户需求，并作出响应反馈。

3 结语

设计了一种基于物联网的电工电子实验平台，以解决现有平台存在的稳定性不佳和用户指令响应不及时的问题。通过实验验证，该平台稳定性系数较高，能够对用户的指令做出及时反馈，充分说明该平台的使用效果较好。虽然实验平台可以实现用户对实验过程、实验数据的监控与处理，但是没有对用户指令传达的准确性进行深入研究，未来将以此为研究重点，进一步提升实验平台的应用效果。