基于物联网云平台技术的型式评价试验装置远程监控平台

邵羽达 杨德草 / ．江苏省计量科学研究院；.南京邮电大学

0 引言

随着物联网和云平台技术在我国取得高速的发展，越来越多的领域开始利用物联网和云平台技术来提升管理。该前沿技术同样可以应用至计量检测部门，尤其随着信息技术的发展，主流的试验装置、仪器都配置了数据接口，为实现检测实验室的万物互联提供了可能，大至各类大型仪器平台，小至单台温度数据采集仪，都可以实现物联从而达到远程值守[1-3]。

目前，国内各大检测实验室存在装备多、试验周期长、维护繁琐等特点，尤其在产品的型式评价中，一些涉及寿命试验的高低温试验箱、温湿度振动三综合箱等装置，在试验期间需要人员长期值守。试验期间人员不能轻易离开，人员调度灵活性低导致工作效率低下，而夜间轮班值守带来的人员疲劳还会带来误操作的可能[4]。因此，如何实现装置的远程检测操控从而达到无人值守，成为实验室需要解决的问题，而日益发展的物联网以及云平台技术，为解决该问题提供了很好的手段[5]。

本项目的研究意义在于探索一种更方便高效可靠的途径，利用物联网、云平台服务等热门技术节省二次开发所需要的成本。该系统具备优良的兼容性，能够帮助检测实验室轻松实现各类试验装置以及试验样品即插即用式的快速简便物联，同时设计检测过程故障诊断、远程视频监控、紧急故障时电源远程控制等综合性的检测功能，达到远程值守、监测、分析、操控、报告自动生成等目的。为国内各类检测实验室提供一种通用的远程值守方案，从而提升实验室的检测与管理能力。

1 系统总体架构

通过自行设计的无线数据收发装置实现与现场被监控试验装置的数据交互，数据通过4G 模块交互云平台，实现远程用户通过手机APP 或网络客户端对现场的监控，紧急情况下可立即关断现场电源，同时现场可增加监视器实现图像的远程监视。具体架构见图1。

图1 基于物联网云平台技术的试验装置远程监控平台系统架构（以振动台为例）

2 硬件组成

2.1 控制板组成

由DC-DC 供电单元、MCU 单元、以太网、RS485、RS232、4G 模组、WiFi 模块等常用通信接口单元，USB Host、USB Type-C 接口，配置按键与指示灯，铁电存储及实时时钟单元，继电器输出、开关量输入，以及外部看门狗等组成。设备供电采用直流12 V 输入经过DC-DC 和LDO 降压得到5 V和3.3 V，给MCU 及各类外设器件供电。MCU 单元通过RMII 接口连接以太网PHY 芯片实现以太网通信。RS485、RS232、4G 模组、WiFi 模块等通信接口都采用UART 与MCU 单元通信。以太网、RS485、RS232、USB 等下行接口用于连接现场不同类型的试验设备，根据设备协议解析处理后将数据通过4G 或WiFi 上行接口传入云平台，用于手机和计算机端交互展示[6-8]。继电器输出和开关量输入用于远程或本地控制试验装置以及样品的供电。实时时钟和铁电存储器用于提供操作时间基准和用作存储运行配置参数，如试验设备Modbus TCP 通信的IP 和端口等。控制板组成示意见图2。

图2 控制板组成示意图

2.2 控制板嵌入式软件设计方案

嵌入式软件采用FreeRTOS 实时操作系统，移植LWIP 软件协议栈实现TCP/IP 通信。按照各单元功能划分成不同的任务，如以太网通信、485 通信、232 通信、4G 通信、WiFi 通信、按键指示灯、继电器输出和开关量输入等任务，由嵌入式系统进行调度，同时可按照任务对实时性方面要求设置不同的任务优先级，保证任务运行的实时性[9-10]。

3 远程用户监控软件设计

以安全、稳定的面向对象语言Java 作为软件设计基础，通过HTTP 通信协议，调用阿里云平台的API 接口，读取和发送数据。运用Android Studio 安卓开发软件，结合Gradle，调用MP Android Chart 开源框架，设计出一套集终端数据存储、曲线展示、参数设置、紧急处理为一体的远程监控系统[11]。手机APP 界面如图3 所示。

图3 远程监控界面截图

4 系统测试

以实验室电能表可靠性寿命试验为例，研究电路对装载电能表样品的快速温变试验箱的远程监控，经过初步的现场调试，温度设置在55 ℃、湿度控制在90%RH，进行远程监控分析，得到的快速温变试验箱控制界面以及手机APP 现实界面的温度数值比较，具体如表1 所示。

表1 快速温变试验箱和手机APP 监控温湿度数值比较

实验室快速温变试验箱的准确度要求是±2 ℃，±3%RH，远程监控界面能做到无偏差跟踪监控，可以不计系统监控误差的影响，时延不到1 s，能够满足产品型式评价实验远程实时监控的要求。

5 结语

通常的远程检测装置需要从前端传感器到数据处理主机再到后台服务器及软件的全端开发，成本很高，而且只能实现被开发参数的远程监控，没法实现已有实验室各类参数的通用。用本文设计的方案进行开发，最大的优点是便携易安装，其多数据接口、即插即用的性能可以针对各种具备数据接口的实验室装置以及样品实现物联，可以充分利用实验室已有的检测资源，省去日常整套远程检测设备开发的麻烦[12]。

随着物联网技术的发展，各种实验室测试参量都可以通过物联网云平台技术实现远程监控。智能手机以及相应运营商云平台功能的增强为远程监控实验室的大型装备运行提供了便利的条件，从而为第三方实验室开展无人值守测试提供了良好的技术支撑。随着技术的发展以及云平台成本的降低，越来越多的实验室会采用该方法对现场试验装置实现远程监控，解放劳动力，达到无人值守，减少人员疲劳带来的误操作，提高试验可靠性，从而降低相应的人力以及物力成本[13]。