物联网技术在环境可靠性实验室智能化改造中的应用

2021-09-11郑建福许奕赵常均

环境技术 2021年4期

郑建福，许奕，赵常均

（1.广州智能装备研究院有限公司，广州 510700； 2.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

引言

环境可靠性实验室信息化、智能化改造的本质是实验室数据的采集和处理，受检测对象非标性、检测设备多样性和检测设备技术滞后性的影响，物联网技术在环境可靠性实验室的应用水平不高。当前信息化、智能化改造的主要工作是业务流程管理、无纸化办公和统计分析，信息系统的数据来源主要由人工记录，数据的全面性、及时性不足，也可能引入人为误差。应用物联网技术，可以为信息系统的数据来源提供一个全新的维度——物理层数据（设备运行数据和传感器数据），这个维度的数据更客观、更及时，可以有效提升实验室的效率、管理，也为上层软件的功能拓展提供了新的方向。本文通过研究设计基于物联网的信息化系统的架构、智能网关的设计实现，提出环境可靠性实验室信息化、智能化改造的设计方案。

1 概述

物联网技术在实验室的使用，以异构集成、全面感知、按需架构、自适应为技术特征，以信息集成、融合处理系统和中间件为基础，解决检测过程中的信息综合感知和设备管控困难的问题，可以打通设备、样品、材料、环境与信息化系统、人员之间的信息壁垒，同时确保检测数据的准确性、及时性、全面性和可追溯性，全面提升信息化系统的内涵和外延，进而达到实验室提质增效、透明化管理的目的。

当前，物联网技术在环境可靠性实验室信息化改造中的应用包括三个阶段：

阶段1，通过温湿度传感器、视频监控系统、消防报警系统对实验室运行环境进行监控。

阶段2，可以对部分试验设备进行远程监控，以监为主，设备的主要运行数据可以上传，可以实现设备启停等简单的控制功能，进行信息化改造的试验设备类型以二次开发协议相对成熟的气候类环境试验设备为主。

阶段3，通过通信协议解析转换、视觉识别等手段，实现主要试验设备的全监全控，涵盖主要的环境可靠性试验设备，包括气候类环境试验设备、力学环境试验设备和辅助设备等。

2 系统架构设计

物联网从架构上可以分为感知层、网络层和应用层。感知层负责信息采集和物物相连；网络层是利用无线、有线网络对采集的数据进行编码、认证和传输；应用层与行业需求相结合，提供基于物联网的应用。结合环境可靠性实验室关键设备及应用业务特点，本文设计的环境可靠性实验室物联网信息化系统架构如图1所示。

图1 环境可靠性实验室物联网系统架构

基于上述信息化系统架构，形成系统交联图，如图2所示。试验设备、传感器、摄像头等设备与系统服务器之间的数据交互主要通过智能网关实现，网关可以完成通讯接口与协议的转换统一，实现数据传输优化与调度，解决实验室设备接口类型繁多、数据格式不一的问题。

图2 系统交联图

3 智能网关的设计

业务特点决定了环境可靠性实验室的智能化改造是无法照搬制造业的经验，除应用层的差别外，前者对智能网关的要求更加严苛，要求其具有很高的适应性。这是因为环境可靠性实验室是以平台的方式进行搭建，试验设备的数量、种类、品牌长期处在动态变化过程中，接口类型繁多、数据格式不一，新设备互联互通的需求持续存在。智能网关的作用详见图3。

图3 智能网关在系统中的作用

实验室的业务特点需要我们开展相应的标准化工作，使智能网关兼容多种通讯接口和多种数据格式；针对采集数据进行部分边缘处理，缓解后续上位机数据处理压力，利用数据缓存的加速机制，保障通信的实时性和准确性[1]。智能网关包括中央处理器、管理模块、存储模块、通信接口驱动模块、通信适配模块、定制开发模块，详见图4。

在58同城这么多年，看到无数的公司迅速崛起又迅速衰落。对于一家公司来说，选择的赛道是土壤，初心是种子，种子加土壤才能决定公司做多大，而不是速度的快慢。草有草的速度，竹子有竹子的速度，松树有松树的速度，翻开十五年来看，一个公司能做到多大，根本跟快慢无关。一些创业公司往往看到别人的成功，内心就荡漾，看到别人融资、估值很高，就会想自己是不是也需要改变。但这个完全没有必要，松树没有必要羡慕草，松树种子种在合适的土地上，就已经决定了最后能长多高，一棵草可能一个季度就长一米高，松树不会这么快。

图4 智能网关模块架构

3.1 智能网关兼容性设计

在硬件设计方面，智能网关涉及上联链路与下联链路两种方式，主要负责将系统收集的感知信息以及执行策略进行承载。其中，下联链路主要通过RS485、RS232、Bluetooth 、LoRa、ZigBee等通讯方式与设备及传感网络保持连接；而上联链路在场景部署中主要以网络接口为主，如移动通信网络、窄带物联网以及以太网等，与应用层保持连接。另外，上行链路与下行链路的接口需要根据实际的应用需求进行选择与切换，因此，智能网关需要根据应用需求兼容本段提及的主要的通信模式。

在协议转换方面，应分析相关的设备种类，如三综合试验箱、温湿度试验箱、温冲试验箱、低气压试验箱、振动台、离心机等，根据其功能、参数、控制特点进行聚类分析，针对不同种类的设备，研究合适的数据感知方法、数据传输接口以及数据通信方式等，规范信息的解析方式，统一语义、语法、时序和存储方式，从而实现从应用层到感知层的集成与共享。

在连接只有机械表盘的液氮罐、无通信接口的UPS时，智能网关需要兼容视觉识别的功能。首先，通过屏显OCR自动读取技术，完成图像自动分割和识别，采用临近搜索圈出单行字符，进行文本切割将单行字符切割为单字，再对单字进行卷积神经网络识别；最后，智能网关将识别出的数据按照设定的格式传输到服务器。

3.2 传输优化与调度设计

在传输优化与调度设计方面，主要包含以下两方面设计内容：

1）由于本系统中设备种类多、传感器类型多的情况，存在通信接口、通信协议差异化以及数据格式、数据结构多样化等问题，这些异构数据将加重中间件的处理负担，进而影响整个系统的处理响应速度。因此，智能网关将下行数据转换为一种普适性通讯协议，将异构数据整合为便于后续处理的统一的数据格式。该协议必须具有一定的灵活性，而且方便配置。智能终端将各个设备自身协议转换为标准协议，标准协议的数据部分为标识+字段，其中标识由ASCII码组成，字段内容由设备状态信息数据组成。中间件根据配置文件，解析标识所代表的物理含义，将其与后面字段内容对应上，完成解析。

2）基于优先级的传输调度机制。对于不同的数据业务流，根据环境可靠性实验室的特点和要求，对报警信息、指令信息、状态信息进行优先级分级，智能网关应具有按优先级动态转发的能力。

4 应用平台设计

基于以上研究成果，研发设计基于物联网的环境可靠性实验室智能化管理系统应用平台。该应用平台在ISO/IEC 17025标准要求的基础上，上位机软件采用“高内聚、低耦合”的思想划分为：Web界面、服务层、数据层。Web界面一方面显示设备状态信息，另一方面接受并处理用户请求，并将处理结果响应给用户；服务层在当前阶段主要完成用户所需的统计、生成报表、门限判断等功能，未来可基于大数据做测试数据挖掘、设备的预测性维护等；数据层主要是存储统计表报、数据处理结果。系统实现了各类试验箱、振动台、电表、温湿度传感器、液氮、UPS、循环水系统等设备的互联互通，涵盖了设备远程监控、智能排程、设备计量维保、故障管理、委托单编制、统计分析、供应商管理等业务流程。系统示例如图5所示。

图5 大屏展示模块示例

5 展望

随着新一代信息技术、物联网、大数据、云计算等新技术的发展，随着监管部门对第三方检测机构数字化、信息化、智能化要求的提升[2]，环境可靠性实验室智能化改造将逐渐成为未来发展的主要趋势之一，物联网技术作为实验室底层数据的采集传输手段，将在智能化改造中起到基础性和关键性作用。目前，物联网在环境可靠性实验室的应用普遍处在第一阶段，部分权威的实验室，如中国赛宝实验室、中国航天科技集团公司某环境可靠实验室、中国船舶重工业集团某实验室开发应用的系统勉强处在第二阶段。因此，为了实现实验室真正的智能化，还需要在以下方面进行更多的研究探索：

1）解决异构集成问题。目前智能网关的兼容性还需要进一步提升，需要物联网技术提供商与设备生产制造商加强合作。

2）实现部分测试工作自动化。针对流程化、标准化较强的检测项目实现自动测试，如测试功率自动采集，元器件的电流、电压、电感的自动测试，电机测试等。

3）数据挖掘和功能拓展。通过对底层数据的采集和分析，结合业务要求和大数据技术，可以进行数据挖掘和深度分析，提供更多的增值服务。

4）与云计算、边缘计算、机器学习、数字孪生、PHM等应用技术的深度融合。通过技术融合，可以实现异地实验室的统一管理、创建基于赛博空间的3D实验室以及实现检测设备的状态监测和故障诊断。