电类实验室简易温度监测系统研究

朱琳

摘 要：高等职业教育中，电类实验室众多，传统电类实验室设备管理往往更注重用电安全，但电类实训室中仍存在大功率电热类实训设备。利用物联网与嵌入式相关技术，对已有电类大功率电热类实验设备加装简易温度监测设备，并通过网络传输温度数据，实施远程监控，可以提高管理效率，确保实训室安全管理水平，更适应开放式实验室等现代实践能力培养新模式。

关键词：嵌入式系统；温度传感；波峰焊炉；远程监控；回流焊炉

中圖分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.35.094

1 需要解决的问题

由于电子信息产业是国民经济重要组成部分，是国家中国制造2025战略规划的重点内涵之一。目前高职院校中大量开设了电子信息类专业或是相关课程。随着电子工艺、表面安装技术等电子产品制造类实践项目的广泛开设，相关实验设备的安全管理成为不容忽视的问题。

波峰焊炉，回流焊炉是典型电热类设备。具有功率大，加工速度快等优点，在工业中得到了广泛应用。典型电子产品焊接生产车间都要求配备恒温空调设备，工作场所空间大，通风换气良好，操作人员随时看护，所以一般不会出现温度相关安全问题，即使有少量不良症候，也会即使发现并处理。但在教学实践环境中，由于设备升温降温慢，发热量大，往往需要占用大量时间。例如典型工业用波峰焊炉，炉内焊锡从凝固到完全融化形成波峰往往需要三个小时的时间，而当关闭时也需要一个小时以上才能降温到相对安全的温度。

传统电类实验室安全管理往往注重用电安全。当实践结束，设备拉闸断电后管理人员就能封闭实训区域，进入下一个实践场所教学。可回流焊炉等大型发热设备，升温期就需要进行巡视。即使断电后，散热扔在继续。如果现场散热能力不良，断电后风扇换气设备不能使用，导致积热过高可能损坏设备内部器件，加快部件老化，甚至会诱发火灾等险情。如果采取现场专人全程看护的方法，一般院校难以保障足够的人力。

由于目前实践教学模式改革仍在加快，开放式实训室等新模式对实验室管理提出了更高要求。如何解决大型电热类设备安全，杜绝高温损伤，排除火灾隐患成了一个需要解决的现实问题。

随着物联网技术的发展，实训楼整体建设大型物联网系统对所有设备进行信息化管理是解决问题的根本办法。但此方法投资大，建设周期长，并非所有院校都能具备相关条件。在不具备近期实施物联网改造的实训室，可以采用在设备外壁加装简易温度检测系统，进行远程监控。

如果有一种成本相对低廉，安装简单，能独立接入网络的温度监控设备。就能实现远程的温度监控。无论是实验员还是实验管理部门都能实时掌握设备温度状况，而无需安排专人现场监视。

在此指导思想下，以嵌入式平台为基础设计一个以电池供电的简易的检测系统。监测系统用温度传感器测量温度后，通过wifi发送至网络，而实验管理人员通过网络访问监控数据。

2 实践系统组成

本简易温度检测系统基于STM32嵌入式系统设计，采用基于MAX31865的温度检测模块作为温度传感器，采样检测数据通过ESP8266模块连接无线网络视线，同时主控模块上提供一个OLED2.4寸液晶屏实时显示温度，以便现场目视检测。

嵌入式系统模块：采用STM32F103系列嵌入式芯片作为MCU，STM32F103是意法半导体公司提供的嵌入式芯片，具有优秀32位的实时计算性能，同时拥有丰富的外围接口方便连接各类外设。在提供优秀计算性能同时，STM32F103平台具备优秀的功耗控制，适合低功耗场合。本设计在通电时使用外电源供电并对电池充电，当实验室断电后使用电池供电，记录温度数据，当设备温度降到安全温度以下时，自动断电关闭以节约电池。所以低功耗的STM32F103非常适合用于本设计中。

温度检测模块：采用基于热电偶进行直接测量，传感器的电阻参数变化带来的电压波动通过MAX31865放大器进行放大，MAX31865放大器可自动调整并设置补偿电阻，温度测量输出的稳定性与准确度更高。同时该芯片支持3.3V供电，适应整个系统的低功耗设计。MAX31865的输出信号通过SPI总线读入STM32MCU。经过STM32自带AD转换，由程序算法计算为当前设备外壳温度。

网络连接模块：采用ESP8266WIFI无线模块作为。ESP8266是专为WIFI应用设计的SOC。基于ESP8266的无线连接模块提供了与WIFI网络通信的完整解决方案。MCU通过串口总线与ESP8266连接，进行WIFI网络下的数据开发。由于ESP8266封装好了典型网络通信API程序，软件通信功能开发比较方便。

供电模块：当设备有电时，由3.3V直流稳压器提供直接供电。当实验室断电时，由18650电池供电。电池电压通过稳压模块形成3.3V供电电压。当温度模块测量温度稳定降到安全值以下一分钟后，MCU控制继电器断开，整个系统自动断电关闭。

现场监视模块：为了方便现场人员观察，STM32系统板上提供一个基于SPI接口的OLED液晶输出。在监测模块开机的状态下，按下控制开关后，OLED屏会显示当前温度传感模块的温度，方便现场人员目视监测。

远程监视系统：实验室需提供WIFI覆盖的网络环境。实施测量外壳温度数据经MCU计算后，通过ESP8266发送到网上固定IP的服务器上。服务器通过HTML5交互界面将温度数据进行显示，实验员通过访问特定页面即可监视设备温度。如果校园网不具备提供相关网络服务。也可以将系统改由局域网访问。将手机设为WIFI热点后，手机连接访问温度检测模块，再由通过WIFI通用测试APP将温度数据读出。

3 系统扩展性

本设计是在低成本下为没有物联网覆盖的实验室实现简易远程监控功能。实验室管理人员能在不在场的条件下对电热类设备的当前温度进行监控。例如实验员完成本次电热类设备实验之后，可离开实验室进行后续课程的教学。本系统能将温度监控数据发送到服务器上。实验员可以在教学间隙，观察设备温度，避免事故隐患。

由于成本限制，目前系统功能相对简单。如果为了提高温度测量的准确度，可以在设备不同位置，增加传感器探头，形成多路测量，让监测结果更加的准确。在无法提供服务器的场合下，本设计可以改为使用WIFI局域网进行通信。如果有需要，可以编写专门的APP程序，提供更直观的界面并增加自动报警之类的拓展功能。

4 结论

物联网技术给日常工作生活带来了革命性的变化。使用嵌入式技术设计建立简单的监控系统，安装简单，网络环境要求低，能极大解放实验室管理人员。提高实验设备的管理效率和安全性。如果继续优化设计，提供更有效的网络访问方式，能更好的实现设计功能。

参考文献

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