基于Internet传动方案实验平台数据采集系统研制
2019-09-10李斌蒙运红袁楚明
李斌 蒙运红 袁楚明
【摘要】传动方案实验中，传感器数据传输依赖有线介质，难以实现设备网络化和智能化。为此，研制一套网络化数据采集系统，集成了wifi芯片，继电器，AD转换芯片以及微控制器实现网络化的数据采集功能，可以通过网络实现对该实验平台上的实验电动机的控制，且数据采集系统可以实时向远程PC上报采集到的传感器数据。该设计体现了物联网思维，真正实现了实验设备的网络化，智能化。
【关键词】传感器;wifi;AD转换
【基金项目】华中科技大学教改基金基于“主动实践”教学方法的《计算机基础与程序设计》课程改革（项目编号：2017032）;华中科技大学2018年实验技术立项（项目编号：2018082）
1. 引言
机械设计是机械类各专业学生必修的一门主干专业技术基础课。它既有系统完备的理论，又有很强的实践性。机械传动方案实验是其实践教学的重要内容之一，是学生验证课堂所学理论的重要手段，是理論联系实际的不可或缺的环节， 因此实验教学肩负着两大任务：培养学生的科学实验能力和创新能力，培养创新人才;提高学生实际动手操作能力。
我们目前采用的传动方案平台存在以下问题：电机功率很大，工业级三相交流电机，功率达数千瓦;零部件尺寸过大、难以推动操作;转矩转速传感器数据采集由供应商提供，它只能提供基本转矩、转速等数据转矩传感器需要有校准零点功能，使得测试数据准确系统还需要进行功率、效率计算等功能维护不便，一旦采集数据出现问题，只得求助于供应商。
基于以上原因，我们决定自行开发数据采集分析系统。使得不但能采集转矩转速等数据，而且能够进行校准数据，而且能够分析计算采集数据。同时系统由我们自行开发，维护工作也会更加方便快捷，并利用互联网技术，远程进行模拟实验，方便学生预习，提高实验效率。
2. 系统设计与实现
传动方案实验平台，除机械部分外，包含两个部分：工作台的测试系统和云端数据采集控制系统，本文对两个系统进行了研制。
2.1 工作台的测试系统（图1）
测试系统由数据采集及分析系统、加载系统两大部分构成。传感器、数据采集卡和计算机构成数据采集及分析系统的硬件部分;磁粉制动器、加载控制器和计算机（或手动加载控制）构成加载系统的硬件部分;编制相应的控制、采集、测试、分析软件构成整个测试系统的软件部分。
测试系统的加载控制方式：设定的所需电压、电流，加载到磁粉制动器进行加载，同时将通过传感器、数据采集卡得到的转速、转矩与设定值比较修正，从而实现了计算机的闭环控制。整个试验台就可由计算机完成自动加载以及转速、转矩等测试数据的采集、处理、显示任务。
测试系统的软件是建立在平台上，用C#语言编制而成，软件具有以下功能：转速、转矩数据的自动采集;转速、转矩及效率曲线的自动生成;图形的自动绘制;数据的动态显示、数据文件的保存等。整个测试系统能满足不同的方案组合的测试要求，同时可以云端传送和接收数据，实现远程操控。操作界面直观明了，人机交互性强。
2.2 云端数据采集及控制系统
针对小型传动实验平台，我们研制了高性价比的网络化数据采集系统。该数据采集系统集成了wifi芯片，继电器，AD转换芯片以及微控制器实现网络化的数据采集功能，该采集系统可以通过网络实现对该实验平台上的实验电动机的控制，且数据采集系统可以实时向远程PC上报采集到的传感器数据。该设计体现了物联网思维，真正实现了实验设备的网络化，智能化。
如图2所示，云服务器连接了数据采集卡端和PC端，主要负责两个终端间的数据转发，可以完全实现对该传动平台的远程操作和监视。该数据采集卡采用市电直接进行电源供应，通过控制继电器的开启和闭合来实现对电动机启动和停止的控制。电动机开启后，转速转矩传感器输出的4路转速转矩模拟信号直接输入到数据采集卡的AD转换芯片，AD转换芯片负责对传感器的模拟信号进行采样和量化后转化为数字信号进行存储。上电后，数据采集卡将自动连接可用wifi，并连接至云端服务器，对TCP端口保持监听，一旦接收到来自服务器的数据请求，可以立刻对服务器的数据进行解析，根据解析后的数据指令对实验平台进行相应控制动作或将数据上传至服务器，具有很强的实时性。
如果网络数据采集卡到达一个新的环境，没有保存过可用wifi，数据采卡将自动建立wifi热点，使用手机或电脑连接数据采集卡的热点，即可通过网页访问到数据采集卡的wifi管理页面，页面将显示数据采集卡当前可扫描到的wifi信号，通过网页可以直接对数据采集卡的连接的默认wifi进行配置，使用方便。
3.结束语
随着近年来技术的发展，精度更高、体积更小的传感器、wifi芯片的广泛普及应用，我们研制了基于Internet传动方案实验平台数据采集系统，并集成于小型化机械传动方案试验台。试验台采用开放式结构，布局紧凑占地面积小、调整更加方便灵活，已经在用于本科生实验课程中，可实现远程网络操控实验，提高效率，更好地满足学生实验要求。
部分程序由正在学习《计算机基础与程序设计》课程本科生开发，有利于学生“主动实践”，取得较好效果。
参考文献：
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[2]徐勇军，安竹林，蒋文丰，等.无线传感器网络实验教程[M].北京：北京理工大学出版社，2007.
[3]宋胜女.计算机网络专业实验教学研究[J].科技资讯，2009（9）：172-172.
[4]袁楚明，李斌，刘竞.面向工科专业的计算机网络课程体系设计研究，教育教学论坛，2018，1（3）：187-188
作者简介： 李斌 华中科技大学机械学院 高级工程师，博士。
