基于AIoT技术的计量校准实验室数字化转型

方逸洲，张青野，赵中瑞，吴文俊

（1.上海仪电（集团）有限公司中央研究院，上海 200233；2.上海电动工具研究所（集团）有限公司，上海 200233）

0 引言

随着数字化转型的时代到来，数据成为了重要的生产要素，数据驱动成为了重要的生产力。AIoT（人工智能+物联网）技术，[1]是数字化转型的重要基础技术。AIoT 物联网技术解决数据采集与上传问题，AIoT 人工智能技术解决数据分析与智能化问题。

计量校准实验室的数字化转型，其主要任务是推动传统实验室以数据为核心，本质并不是简单的去人工化，而是人、计量校准实验设备以及智能化软硬件有机结合，聚焦在实验数据上。在符合计量校准流程规范和法规标准的前提下，建设数字化的实验室。[2-3]本文结合AIoT 产品和技术，介绍数字化实验室的实践与探索。

2 数字化转型系统

计量校准实验室数字化转型的核心，是紧密围绕数据，以自下而上的数据流重塑流程，实现实验室自上而下的价值提升，其系统框架如图1 所示。

图1 系统框架

通过研发的智能软硬件，实现计量校准实验设备数据与实验最终交付物（实验结果、实验报表等）之间的数据打通，将实验交付物价值传导至实验设备，形成上下一体的融合效应。计量校准实验室数字化转型的目标，是构建实验人员现场简便操作、实验结果现场智能分析、实验报告现场出具的快速、高效流程。

为了打通计量校准实验室的数据流，实现计量校准实验室的价值流，基于AIoT 技术设计软件和硬件架构如图2 所示。

图2 软件和硬件架构

针对有数据接口协议的计量校准设备，物联网网关打通数据接口，采集与控制设备；针对有配套软件的计量校准设备，数据分析软件打通配套软件实现数据读取。采集到的数据汇聚至计量校准实验数据分析软件中，软件可以根据计量校准实验流程，通过物联网网关对设备下发控制指令，实现实验流程的自动化。

针对实验室中既无数据接口协议，又无配套软件的设备，随着边缘人工智能技术的发展，未来还可以探索使用计算机视觉技术，实现设备显示面板数据的人工智能抓取。

3 物联网网关硬件

3.1 硬件系统

计量校准实验室数字化转型，覆盖万用表校验、恒温槽校验、互感器校验等计量校准的常见实验项目。主要接入校验设备包括多功能校准仪、堆栈式测温仪、互感器校验仪等，主要接入被测设备有多功能万用表等。

上述设备的数据接口均为标准RS232，其接口通讯协议均为开放。考虑到后续对接计量校准实验设备和被测设备的通用性与兼容性，除了RS232 接口，本文设计的物联网网关硬件拓展一路RS485 接口。计量校准实验数据分析软件部署于实验室计算机终端，物联网网关与计算机采用USB 接口连接。

在设计上，考虑到对计量校准实验设备和物联网网关本身的防护，在RS232、RS485 接口上设计了浪涌和静电防护电路，在USB 接口上设计了静电防护电路。网关硬件框图如图3 所示。

图3 网关硬件系统框图

3.2 嵌入式软件

物联网网关的嵌入式软件设计，包含设备的数据采集和控制，以及与计算机端计量校准实验数据分析软件的数据通讯。物联网网关与不同的设备均为RS232 接口连接，但各设备的接口协议、串口波特率各有不同。

针对多功能万用表（被测设备）、多功能校准仪和互感器校验仪（计量校准设备），发送远程控制模式指令，配置指定测量模式（交直流电压、交直流电流、电阻、频率等，不同设备有不同的模式）和量程，采集数据。

针对温度巡检仪（计量校准设备），仅在物联网网关串口初始化后，接收温度数据即可。

由图4可知，孔径D=2.7mm时，压铆连接能承受的推出力为1 410N；孔径D=2.78mm时，推出力只有760N。随着孔径的增加，压铆螺母的推出力逐渐减小。这是因为板件孔周围材料受压力被挤进沟槽中，使螺母与板件连接。当孔径增大时，被压入沟槽中的材料变少，接触区域也变小。因此，其所能承受的推出力也变小。这表明，为了保证压铆连接的可靠性，板件的孔径应该控制在一定的范围内。

物联网网关与计量校准实验数据分析软件通过串口转USB 进行通讯，波特率为115 200，1 位停止位，8 位数据位，无奇偶校验位。通讯协议采用JSON 格式，包括对下控制命令和对上数据上传。

除了基本控制和上传交互外，设计中考虑到交互确认、超时跳出等冗余机制，例如数据分析软件下发某条控制指令，通过物联网网关传输至设备，获得答复后将数据传输至数据分析软件，控制流程确认完成方可进行下次操作。超时或未有答复，则认为数据交互失效。通过各类机制，确保数字化改造后具备的可靠性与稳定性。

4 数据分析软件

4.1 软件系统架构

计量校准实验数据分析软件架构如图4 所示，基于Electron 和Vue 框架研发，使用的编程语言包括JavaScript、HTML、Python 和C++等。整个系统分为通讯层、服务层和扩展层。

图4 分析软件架构

4.2 通讯层

通讯层主要实现对物联网网关和设备配套软件的通讯，实现设备数据采集、设备控制以及配套软件中特定实验数据的采集。针对物联网网关，通过串口端口库，开发“请求——响应”和“订阅——监听”通信机制，具备超时、数据核验等冗余功能。针对设备配套软件，通过动态链接库注入方式，遍历windows 应用程序的特定进程，读取对应组件，获取实验数据。

4.3 服务层

服务层是数据分析软件的核心层，包含实验管理、公共组件、数据模板、数据报表等模块。

实验管理是计量校准实验室系统的重要单元，根据不同实验项目构建不同的实验流程，采集和控制通讯层，支撑扩展层呈现。以本文构建的多功能万用表计量校准实验为例，在实验管理模块中实现该实验的主要流程，包括设备初始化、逐行自定义测量、一键测量等功能。

公共组件模块实现了路由、配置、串口状态侦测等通用功能，封装通用视图组件，包括矢量图标、导航栏、标签输入等。

数据模板模块中预加载实验相关的数据模板，可在数据分析软件界面进行删减及修改操作。

4.4 扩展层

扩展层是实验项目的界面交互层，采用模板设计的方式，支持快速扩展新增计量校准实验项目。本文设计的分析软件支持六类计量校准实验项目，可对多功能万用表、互感器、恒温槽、示波器等设备进行计量校准，具有操作便捷、容错冗余、流程规范、智能化、自动化等特点，数据分析软件界面如图5 所示。

图5 数据分析软件界面

5 数字化转型成效

基于上述设计，对计量校准实验室进行的数字化改造，已覆盖了六类计量校准实验项目。改造后的实验室以数据为核心，有效提升实验效率、数据准确率、报告时效性。

以多功能万用表计量校准实验项目为例，改造实例如图6 所示。

图6 中的计量校准实验流程涵盖交直流电压、交直流电流、电阻、频率等，共计108 项操作和数据记录。在数字化改造前，传统的计量校准实验流程包括人工操作实验仪器、记录数据、整理生成报告、人工核验等，耗时近2 h。

图6 改造实例

通过本文设计的系统，数据分析软件通过物联网网关，完成实验设备通讯确认和模式配置。通过“一键测量”按键，可在20 min 内完成全部操作，校准实验操作界面如图7 所示，校准实验数据报表如图8 所示。

图7 校准实验操作界面

图8 校准实验数据报表

6 结语

AIoT 技术推动计量校准实验室数字化转型，围绕实验项目的数据流，研发了物联网网关和数据分析软件，覆盖了六类计量校准实验项目。设计的计量校准实验数字化系统将大量人工操作改进为智能型自动化操控，改进项目达到了提质增效的良好效果。