基于物联网技术的台架监控系统设计与实现

引言

物联网的广泛应用正在改变人们的生活方式，共享单车、共享汽车等物联网技术产品已在日常生活中普及。未来，无人驾驶、智慧交通等的大力发展也离不开物联网技术。

高等院校作为新技术应用的前沿阵地之一，物联网的理念己融入校园的信息化建设之中。高校实验室已有大量研究投入到“物联网+ 智慧”实验室建设中[1]。西安电子科技大学为全校师生提供了一个集信息整合、采集、传输、发布于一体的综合信息服务平台，实现了教学过程的全面信息化，提高了教学管理水平和教学效率[2]。杭州电子科技大学的林鲁春以物联网为技术背景，针对实验室存在的问题，以物联网感知层、网络层、应用层为设计结构，制定了系统方案并搭建了智慧实验室系统框架结构[3]。

汽车检测试验室在此领域研究较为滞后，物联网+ 试验室模式尚属起步阶段。以台架试验室为例，试验涉及设备众多，且包含大量老旧仪器设备。因此实现试验室内设备互联互通以及台架试验的实时有效管控，需进行合理布局和精心设计[4]。本文按照图1 所示的物联网架构模式提出了传统台架试验室搭建智能监控系统的技术方案，利用该系统降低试验出错概率，提高试验运行效率，并减少试验值守人员数量[5]。

设备信息采集

台架试验室需进行信息采集及远程控制的设备主要分为两大类，一类为单台架独立使用设备，如：排气背压阀、进气压力阀、进气空调、全室空调、风机等；另一类为多台架共同使用设备，如：冷却水设备、冷冻水设备、供油装置、压缩空气装置、控制间空调等。

图1 台架监控系统架构

单台架独立使用设备

单台架独立使用设备特指某台架独享设备，采用就近台架集成方式，便于使用与管理。试验室所有台架均预留了扩展I/O 口，方便与小型仪器设备进行模拟量/ 数字量信息交互。试验室使用台架主要品牌为HORIBA 与AVL，两种台架与设备通信的方式类似。

HORIBA 台架通过LAM002 模块进行模拟量采集，通过台架扩展I/O 模块进行模拟量输出控制和数字量输出设置。

AVL 台架利用F-FEM-AIS 模块进行模拟量信号采集，利用F-FEM-DAC 模块实现模拟量信号输出，利用F-FEM- DIO 模块实现数字量输出，进而控制设备的开和关。

多台架共同使用设备

多台架共同使用设备涉及冷却水设备、冷冻水设备、供油装置、压缩空气装置、控制间空调、控制间换气设备等。上述设备具有位置分散、距离较远、所有台架共同使用等特点，不便集成至某一台架监控，根据设备分布位置，设置了3 个数据采集点，利用数采模块分别采集附近设备信息。3 个数据采集点的数采设备均使用NI cDAQ-9185 模块。

采集点1 的数采模块配备了NI9203 板卡，用于采集3 个油压传感器信号、压缩空气压力和压缩空气湿度传感器信号。

采集点2的数采模块配备了NI9203和NI9219 两块板卡，NI9203用于采集冷却水压力和液位传感器信号；NI9219 万能型板卡用于采集冷却水出水温度传感器信号。

采集点3的数采模块配备了数字量输出NI9472板卡，该板卡通过控制24V继电器的通断，进一步控制冷冻水水冷机组水泵、控制间空调室外机水泵和控制间换气设备的开与关。

数据网络传输

采集的设备信息，各台架的试验数据，以及视频监控信息，均需安全可靠地传输至主控系统。

通过开通各台架的数据外传与接收端口，利用串口或网络协议将台架与主控系统建立联系，实现对所有台架数据的统一监控与管理。根据监控预期效果和台架当前预留端口等条件，HOROBA台架和水冷机组供应商选择Modbus-RTU 通信协议，AVL台架供应商使用UDP网络通信协议，两种通信协议均能够实现台架与主控系统实时、稳定、高效的数据传输。数采模拟与视频监控采用常用的TCP网络协议。台架监控系统设备组网布局如图2 所示。

图2 台架监控系统设备组网布局

ModbusRTU通信设备

HORIBA 台架和水冷机组均选用Modbus RTU 通信方式。Modbus RTU 采用二进制方式表示数据，具有传输效率高、传输数据量大等优点。HORIBA 台架利用Test Schedule 模块编写脚本程序，实现了数据的发送与接收。水冷机组控制器为西门子S7-200 SN 型PLC，在原PLC 程序中添加Modbus RTU 通信模块，选用RS 485 通信方式，可满足长距离通信要求。

将3 个HORIBA 台架和2 台水冷设备设置为从机工作模

式，主控电脑设置为主机模式，从机按要求将数据发送至主机。主机利用OPC Sever 接收从机发送的数据，创建与从机一一对应的变量。LabVIEW 利用DataSocket进行数据绑定，选择OPC Sever 中变量对应的URL 路径即可实现数据的读取或发送。

TCP/IP通信设备

AVL 台架、视频监控和数采模块均采用了TCP/IP 传输协议，TCP/IP 传输协议具备网络数据信息传输及时和完整等特点。

AVL 台架通过实时性和工作效率较好的UDP 协议，实现了AVL 台架与主控系统的快速通信。AVL 台架使用SCR 模块编写数据发送代码，再利用TCC 模块以一定频率循环执行SCR 模块中的脚本。本监控系统软件LabVIEW 中自带UDP 协议信息获取模块，在该模块输入端设置与台架对应的端口号，其输出端将以一定的频率输出字符串格式的信息。

试验室视频监控设备为海康威视网络摄像头，视频信号可使用TCP 协议输出，将所有摄像头IP 地址设置在同一网段，随后利用交换机连接至主控系统。海康威视为方便开发者处理视频信号，提供了SDK 开发包，该开发包包含了大量的案例以及程序库文件，LabVIEW 通过调用DLL 库文件中的DET_DVR_Login 和DET_DVR_RealPlay_ V40 函数，即可实现摄像头图像的实时预览。

多台架共同使用设备选用的信号采集模块为NI cDAQ- 9185，该模块与主控系统通过TCP 网络通信。NI cDAQ-9185 与程序编写软件LabVIEW 均属于NI 公司设计的产品，NI 提供了一个NI MAX 配置管理软件，可检查识别NI 数采模块，快速便捷的将采集的数据传输至LabVIEW 中。

监控应用交互

在网络层中，利用不同的协议实现设备与主控系统的通信，包含HORIBA 台架、AVL 台架、水冷机组、视频监控和数采模块。利用编程效率极高的LabVIEW 软件编写台架试验监控界面，实时监控试验运行状态，保证试验高效进行[6]。

为保证对大量数据进行规范划分、合理显示及高效操作，将监控界面分为台架数据与视频监控、外围辅助设备监控和设备状态监控，监控平台主界面如图3 所示。

图3 试验室监控平台主界面

台架数据与视频监控

台架试验监控系统将试验关键数据和样件运行状态作为监控重点。试验关键数据监控采用曲线与图表显示相结合的方式，曲线显示可选取4 个变量，具有灵活选取变量、手动调节纵坐标、更改曲线颜色等功能。图表显示的内容包含数据名称、上限报错限值、上限报警限值、实时值、下限报警限值、下限报错限值和单位。图表具备自由选择监控数据、在线更改上下限值、实时值背景根据限值变色和发声提醒等功能。

视频画面可实时监测样件状态，当出现漏水、漏油或着火等异常状况时，利用视觉主动识别技术监控试验异常状态，并报警通知值守人员，使得监控系统更加智能高效。

监控系统主界面中放置了2 个台架的监控信息，若需同时监控更多台架试验，可通过分屏的方式显示其他台架的监控信息。图4 所示为单台架监控界面。

图4 单台架数据与视频监控界面

外围辅助设备监控

外围辅助设备为所有台架共同使用，公用设备适合集中监控。外围辅助设备包括冷冻水设备、冷却水设备、供油装置、压缩空气装置、控制间空调、控制间换气设备和气瓶间装置。设备左上角名称的背景色将随设备状态不同而变化，设备未开启时，背景颜色为暗绿；正常运行时，背景颜色为亮绿；报警时，背景颜色为黄色并闪烁；报错时，背景颜色为红色并闪烁。设备的数据由PLC 或数采模块采集，数据正常时，使用黑色字体显示，数值超过报警限值时，使用黄色字体显示，数值超过报错限值时，使用红色字体显示。同时，数值超出报警或报错限值时，将发出声音报警。

外围辅助设备的开关变量隐藏在“控制”按键下方，点击“控制”按键，弹出操作对话框，其中包含2 台水冷机组的启动、停止、故障复位、水温设置、新风换气开关、冷冻水泵、空调水冷等控制变量，所有控制变量集中此对话框放置，既方便管理，又节省主界面空间，精简了监控系统主界面。外围辅助设备监控界面如图5 所示。

3.3 故障信息监管

设备故障信息的监控分为2 部分，分别是设备工作状态和设备报警/ 报错信息。设备工作状态采用设备名称列表加背景颜色变化的方式显示，设备开启与否、正常运行或报警/报错与否，背景将通过显示不同的颜色进行提醒。当设备开启且发生报警或报错时，时间、设备以及报警或报错信息将显示在设备报警/ 报错信息表中，同时发出报警声音提醒使用者。

图5 外围辅助设备监控界面

通过颜色变化的视觉提醒，报警声音的听觉提醒以及详细的报警/ 报错信息，能够辅助试验值守人员第一时间发现异常状况，并及时处置，避免造成试验失败或设备损坏等事故。故障信息监控界面如图6 所示。

图6 故障信息监控界面

结语

文中利用物联网技术搭建了一个台架试验监控系统，实现了“物联网+ 试验室”的融合。首先，通过单台架独立使用设备就近台架集成，多台架共同使用设备设置3 处采集点集中采集，完成感知层信息采集。其次，利用Modbus RTU、UDP、TCP 等协议，实现台架、PLC、视频监控和数采模块的网络层数据传输。最后，对于应用层，使用高效的编程软件LabVIEW 编程搭建包含台架数据与视频、外围辅助设备和故障信息的试验室全方位监控系统。

该监控系统已能够辅助试验高效运行，与台架监控形成双重保护，并减少试验值守人员。同时，初步利用视频监控图像和视觉识别技术，智能识别试验异常状况，为台架试验顺利安全进行保驾护航，也为将来试验室少人值守，甚至无人值守做好技术铺垫。

参考文献

[1] SOHAIL S，FELEMBAN E，ALTHOBAITI B，et al.Smart-Lab，LAN Based Application for Effective Lab Supervision [C]// Second International Conference on Networking and Distributed Computing，Beijing，2011：15-19.
[2] 刘君玲. 基于物联网技术的智慧实验室管理系统的研究与应用[D].西安：西安电子科技大学，2019.
[3] 林鲁春. 智慧实验室及其关键技术研究与应用[D]. 杭州：杭州电子科技大学，2019.

[4] 曲娜，盛桂珍，杨海波. 基于物联网技术的智慧开放实验室管理系统设计[J]. 实验技术与管理，2015，32（12）：140-142.
[5] DAVID M. Suffolk launches smart lab in Los Angeles [J]. Building design & construction，2019.
[6] 茆玉辰，张宸烽，史洪玮. 基于LabVIEW 的智慧实验室的设计与实现[J]. 电脑知识与技术，2017，13（16）：46-48.
[7] 严桂林. 基于LabVIEW 的温室环境集成测控系统开发[J]. 物联网技术，2017，7（7）：106-108.
[8] 潘可佳. 基于物联网技术的机房智能监控系统设计与实现[D]. 成都：电子科技大学，2013.
[9] 史艳红，叶杨. 基于WiFi 和LabVIEW 技术的无线数据传输与监测设计[J]. 物联网技术，2017，7（6）：10-11.
[10] 孙涛，李娟，许有军，等. 基于物联网技术的实验室安防监控系统设计与实现[J]. 大庆师范学院学报，2017，37（3）：48-51.