基于物联网技术的环境试验箱温度监测预警系统

李晓茜，丁勇，安淇雨

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

引言

温度类试验主要用于模拟产品的不同使用环境，以此考察产品对温度应力的耐受性。该试验验是适用范围广的基础测试，检验检测机构常有开展。温度试验使用的温箱在设定程序后，可24 h连续运转，有的测试条件会要求连续运转上千小时。这中间，温箱控温的稳定性，箱内样品尤其是上电样品的散热情况，都需要随时关注[1]。比较传统的方法，是会安排人力巡视，确认试验箱和样品状态是否正常。这种方式会占用大量的人力资源，而且在温箱跨楼层跨基地分散布置的情况下，巡视人员无法确保险情发生时第一时间在场。考虑到这种情况，近些年新开发的温箱已实现在线联网监测。但对于开展业务较早的机构，存在多品牌，多型号温箱混用的情况，无法统一使用某一品牌的监测软件[2]。本文主要针对这种情况，设计了一种基于物联网技术的环境试验箱温度监测预警系统。在不更换温箱的情况下，采用加装温湿度传感器、数据收发报警器，定制云平台的方式，实现了实验室温箱智能化管理，提升了安全管理的质量及效率，保障了生产安全。

1 系统设计原则与架构

环境试验箱在线智能温度监测系统通过物联网技术对可能引起火灾等安全事故的主要因素进行持续的数据跟踪采集与统计分析，实时发现线路、温箱和上电样品存在的安全隐患，即时预警，消除电气火灾安全隐患，实现“防患于未燃”的目的，以便解决实验室设备分散巡查难、电气隐患肉眼无法直观检查等隐患排查难题。通过选用具备特定功能的传感器、智能网关报警器以及建设实验室安全监管平台，实现试验现场与巡查人员、试验工程师的信息交互，让他们能随时随地掌握设备与现场隐患，并及时进行管控[3-5]。

系统架构图如图1所示，感知层为加装在试验箱内的温湿度传感器，传输层为箱外的网关报警器，通讯层为移动空中网，展现层为电脑端和手机端的在线监测云平台。温湿度传感器采集温度、湿度等主要运行参数。通过箱外的网关报警器，接入在线监测云平台进行点对点管理。当监测到的数据超过了设置的告警阈值时，智能网关报警器通过4G移动通信，将告警信息送至在线监测云平台，平台将超温告警信息通过现场蜂鸣器，电脑端弹窗和短信功能通知用户。

图1 智能监测系统网络拓扑图

2 系统关键技术

2.1 不同耐候性多传感器融合系统

检测实验室常见的温箱种类繁多，包括温度标箱、快速温变箱、温度冲击箱及烤箱等。若不是统一采购，这些试验箱会存在品牌、型号多样，很难采用某一品牌的监测系统。又因设备的温度跨度大（至少（-70～300）℃），包含了极寒和酷热工况。在选择监测传感器时，为追求性价比，建议混用多类型的传感器，如市面上常见的数字温湿度传感器（-40～125）℃和PT100耐高低温模拟温度传感器（-70～300）℃。常规温度范围的设备，建议用低成本数字温湿度传感器，选择汽车级集成电路定制。温度范围跨度大的，可以选用更严酷的模拟传感器、定制线缆、数据采集模块及无线数据收发模块。同时，需要定制兼容数字温湿度传感器、模拟温度传感器、湿度传感器的综合系统。

2.2 远程可设定的设备现场报警器开发

区别于简单的温湿度监测系统，新开发的监测预警系统需实现数据双向无线传输、现场设备需自带微处理器和声光报警器。新设计的数据收发报警一体机是通过4芯数据线对传感器进行供电，使用WIFI无线模块上传传感器数据信息，接收服务器端阈值设置命令。自带现场声光报警器，温湿度超过阈值可进行现场报警提示。自带继电器联动输出，超过阈值可进行现场联动处置。高速上传温度记录，完整记录温变速度过程，可0.1 s一次。由此可实现设备如超出设定温度范围，除了远程、移动端提示，还可现场声光报警。

2.3 与环境试验室业务高度匹配的软件平台定制开发

考虑到实际使用情况，定制开发了与实验室业务高度匹配的软件平台。实际平台工作过程为：数据收发器通过wifi连入云端平台；平台软件和手机APP通过云端服务器接收数据；平台软件通过云端远程下发对传感器的控制指令；控制电脑控制显示屏展示数据。具体效果图如2所示。

图2 系统数据传输示意图

3 平台设计及功能模块

3.1 温湿度监测管理平台

温湿度监测管理平台是环境试验箱温度监测预警系统的集中网络管理平台，用于管理安装的设备、资产信息、查看监测数据及关联报警人员。登录系统后，可以查看系统管理、资产管理、历史记录、试验箱运行统计和日志记录等一级菜单。该平台可以对试验箱温度、湿度进行实时监测并进行数据分析，对超温情况进行预警，防止试验箱温度过高，损坏设备或样品，避免引发火灾。平台在发现超温预警时，可通过远程、移动端提示、现场声光报警等多种途径及时通知负责的工程师，确保实验安全。

3.2 主要功能模块

3.2.1 实时状态显示查询

系统能正确显示设备当前的状态（停机，运行，超温故障），并可设置停机为灰色显示，运行为绿色显示，超温故障为红色显示。可选配轮播所有设备当前状态的大屏显示系统，大屏界面能实现设备温湿度监测的实时状态显示，并能通过自动翻页显示所有监测中设备，翻页时间、刷新时间均可设置调节，方便实验室工程师和巡查人员查看。同时，用户在移动端也可查看设备在线运行状态。

3.2.2 现场及远程异常报警

系统可进行多台监测传感器组网，可实现100台以上设备同时监测。系统对境内联网的监测传感器，无地址要求，境内联网设备均可接入。系统软硬件能相互兼容，可完成智能温度监测设备的系统性监测。云端平台能将监测传感器及网关设备的数据信号正确解析显示，并能及时发现上传的报警、离线等信息。温箱报警温度范围、报警显示方式均可设置。当出现异常超温故障时，系统能在大屏的当前页面弹出超温故障的报警，并发出声音警示，同时触发其他设置的警示方式（如短信，APP），及时提醒不在现场的相关人员处理故障。

3.2.3 设备资产管理

系统可一次性录入设备资产情况，在选择设备时主界面会显示设备资产信息包括资产编号、厂家、温度范围、计量有效期、内容积、资产位置、额定功率、资产管理员等，方便管理使用设备。在网运行设备工况修改情况会被记录，如在线填写运行工况、上下限值、修改时刻、操作人员信息等。设备运行记录可被记录统计，如设备的7日内运行记录、24 h内温湿度曲线。

系统具备工作时长统计功能，能统计每台箱子的工作时长，可查询上一个月份的总工作时长占比。系统能够显示每个设备的逐日和累积高温段、低温段及常温度的工作时长。任意设备的工作温度段累计可查可分析，还可对设备利用率进行分析，生成温箱利用率数据，所有设备工作时间排行榜（按工作时间、按高温时长、按低温时长排行）。

3.2.4 数据存储分析

系统具有数据存储功能，可进行测试数据存储并可进行后期数据采集应用。系统具备数据导出功能，支持对同一设备按高温降序排列、按低温升序排列，可迅速查找设备运行的温度极值及日期。数据导出可设置不同导出方式，如按传感器、时间导出记录、按工作时长导出记录、导出资产管理记录，可满足日常测试管理需要。

4 总结

环境试验箱温度监测系统能够实现检测机构实验室自动化、智能化管理，支撑检测机构及时处理实验室突发状况，有效减少意外事件发生，切实保障人身财产安全。智能网关、4G无线组网的应用，有效解决了传统实验室升级项目中施工周期长、难度大、破坏既有装修、影响测试安排等问题。经实际应用验证，该系统有效提升实验室安全管理的质量及效率，降低安全监管成本。