职业院校物联网实训平台安装结构设计与研究

2022-05-09彭奇平

华东科技 2022年4期

文/彭奇平

（舟山技师学院，浙江舟山 316012）

职业院校的核心使命是为社会培养人才，而将课本上的知识应用于实际生活中是培养人才的必经之路。[1]物联网综合实训课程是物联网专业学生的一门重要专业课，贯穿了他们在职业院校所学的所有专业课程。[2]职业院校物联网实训平台能够培养学生的综合能力，使他们更好地将课本上的内容与专业的实践技术相互配合，切实地运用到工作之中。[3]

1.物联网综合实训平台整体架构设计

对于数据的采集和处理是物联网综合实训平台架构部分的两个关键设计，除此之外，物联网综合实训平台还需要加入智能控制作为第三个辅助部分。[4]一套实用的物联网综合实训平台，类似3G、Wi-Fi网络、嵌入式网络、ZigBee网络等。在读取之后对实训平台安装模块进行远程控制，学生可以由易到难、循序渐进地深入掌握技术。物联网综合实训平台可以扩展和开放，既满足教师教学和科研的需要，又允许教师创建新的项目。它的各个终端传感器设备分别交联，组成互联互通的ZigBee网络，其主要用于对象感知的检测和识别，实现数据采集，得到各个位置上的数据响应，以实现对传感器的有效控制。

平台传感位置的关键功能在于采集和处理信息数据，组成部分有传感器和ADC两部分。平台传感位置的主要工作是：对输入量与输出量做出采集模拟，附带功能是对数字的输入及输出做出采集工作，第一时间监控外部及内部的环境。在受到更大的影响时，实训平台内部系统在第一时间通过传感位置做出信息相关的传递处理，以便平台正常运行。

2.实训平台插箱安装优化设计

薄板折弯插箱、型材弯制插箱和铸造插箱为最常见的三种插箱类型。机柜和插箱之间通常会有导轨进行活动对接，这样做的目的是方便连接，通过机柜两个端口的圆轴销，将插箱挂在导轨的支撑座上，实现插箱在导轨上的自由翻转搁置。

因为冲击震动的影响，机柜的插箱有时会出现底板变形的情况，更严重的还存在板面断裂的可能，使得安装在底板上的一些部件受到损坏。导致底板在安装过程中出现断裂和变性的情况并不少，主要是因为：底板的刚强度不够，低频状态时的共振会使得构件的强度小于应力上限。在振动频率较低的环境中，应力变形会导致构件的强度下降和疲劳受损。这时，设计人员就需要对插箱的设计进行优化。与平常使用的插箱不同，实训平台采用的插箱会相对在外形和型号上有所改动，改进插箱的结构能够将低阶频率进一步提升，刚强度也会随之增加，从而进一步提高抗震性能，确保插箱中的各个部件可以正常运行。模拟分析实训平台的插箱数据，其前阶固有频率如表1所示。

表1 插箱前四阶固有频率

为了增强电子设备，增强插箱的抗震性能，设计人员需要对插箱的结构进行抗冲力的优化设计，拉升插箱的低阶固有频率；在底板的位置上使用加强的筋板，从底部的位置提高刚强度，压缩低阶发生形变的可能；上侧折边，提高左右面和后侧的刚强度；布置加强筋的位置要放在实训平台插箱底板的外侧部分，布置加强筋的数量与一般机柜使用的插箱不同，要有所提升。

3.职业院校物联网实训平台的散热结构设计

物联网实训平台散热交换器是一种利用自然冷源的温度控制装置。各种精密复杂的电子电器元件和设备的集成度与热密度越来越高，设备的发热量也越来越大。设备本身对高温的敏感性比较高，长期在40℃以上的环境中运行将严重影响系统的稳定性和寿命。散热空调的选择主要考虑实训平台产生的总热量。散热空调的功率可以根据总热量来选择，公式如式（1）所示:

式中，tQ为安装结构的总产生热量；iQ为平台内部元器件的发热总热量；rQ为平台外传至机柜内的热量。

平台设计人员需要设计更加强大的散热能力和更为长久的散热器使用寿命。由于使用环境的不同，设计人员还应考虑户外的防尘、防雨等问题，且需了解实训平台的密封性及是否带有隔层等信息。

4.物联网实训平台控制机柜截面选取

由于物联网实训平台的安装结构参数是根据样机的结构参数来设定的，因此，设计人员需要对控制机柜进行模态分析，通过模态分析对测量的数据进行计算值的模态评估，计算实验机柜在测量和计算时存在的误差最大值，以寻求较为准确的近似性数据。模态分析得到的物联网实训平台机架型材截面安装结构截面形状和尺寸如图1所示。

确定了合理的联网实训平台后，设计人员可根据之前的结构构架以及设计，采取组成机柜的材料和形状，分别在不同的截面形状上进行数据处理和收集，以方便在之后做好拟态，从而获得机架的合适振型和固有频率。

物联网实训平台安装结构的低阶振型在机箱的立柱中部及顶部位置，可以检测出最大的幅值差，这就是最大程度上的形变。造成这种形变的原因是，横梁和立柱出现了扭转弯曲，以致各截面型材的固有频率发生变化，其数值如表2所示。其他截面上的固有频率均小于C型截面的型材平台安装结构的固有频率，所以C型截面的型材机柜要大于其他截面机柜的综合动态性能，才能使模态分析准确有效。职业院校物联网实训平台多面临低频率从属震动，为避免共振及提高结构的整体可靠性，选择C型型材平台安装方式较为合适。

表2 不同截面的机架固有频率

基于这些参数建立的实训平台安装结构为此次试验中最合适的设计参数。设计人员通过对物联网实训平台的机柜结构做出分析，得到其固有频率和振型。依靠这两个数据，设计人员可以对机柜结构的动态特性做出判断，在动态环境中控制机柜不受机械干扰，并保证改进机柜结构时，可以降低薄弱的环节，并为此设计提供充分的优势。实训平台的型材截面需要选对形状，因为形状制约着机架的固有频率，其影响较为直观。选择适合的型材截面形状，是从根本上改善立柱截面形状，提高机柜的动态性能，使刚强度或质量发生变化，从而调整固有频率为适宜的设计频率。