基于物聯(lián)網(wǎng)的電工電子實(shí)驗平臺設(shè)計

王德璋

(新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830021)

電工電子實(shí)驗平臺是電工電子實(shí)驗實(shí)施的基礎(chǔ)條件，該平臺與電工電子課程理論教學(xué)聯(lián)系十分密切，通過該平臺可建立電路模型，為學(xué)生提供科學(xué)理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，提高學(xué)生科研素養(yǎng)，擴(kuò)展學(xué)生創(chuàng)造性思維。實(shí)驗平臺包括大量的教學(xué)環(huán)節(jié)，如教師指令傳達(dá)、學(xué)生接收教學(xué)任務(wù)及實(shí)驗管理等，這就需要電工電子實(shí)驗平臺具有良好的適應(yīng)性，以滿足各方需求。

目前，已有大量研究人員對該領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，其中常用的實(shí)驗平臺主要有基于LabVIEW的電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗平臺[1]、基于Matlab的電力電子虛擬仿真實(shí)驗平臺[2]及基于PWM變流器的模塊化實(shí)驗平臺[3]，這些平臺雖然實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化目標(biāo)，解決了實(shí)驗資源不足的問題，但是存在平臺穩(wěn)定性不佳和用戶指令響應(yīng)不及時等問題，所以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一個電工電子實(shí)驗平臺。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電工電子實(shí)驗平臺設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的電工電子實(shí)驗平臺硬件部分主要由實(shí)驗管理模塊、客戶端模塊、顯示器模塊及監(jiān)控模塊構(gòu)成，該平臺的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電工電子實(shí)驗平臺總體架構(gòu)圖

1.1 電工電子實(shí)驗平臺模塊設(shè)計

1.1.1 實(shí)驗管理模塊

實(shí)驗管理模塊主要負(fù)責(zé)對服務(wù)器接收到的用戶請求進(jìn)行初步處理，并將處理結(jié)果反饋至服務(wù)器。實(shí)驗管理模塊是虛擬實(shí)驗的主要載體，通過該模塊運(yùn)行實(shí)驗中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、存儲及管理等操作。

1.1.2 客戶端模塊

客戶端模塊是電工電子實(shí)驗平臺中最重要的模塊，該模塊是連接用戶與實(shí)驗平臺的主要渠道，其主要功能為顯示操作頁面、實(shí)現(xiàn)用戶交互及輸出實(shí)驗結(jié)果等。傳統(tǒng)電工電子平臺在設(shè)計客戶端模塊時，需要用戶自行下載客戶端插件，并安裝到電腦上，才能進(jìn)行實(shí)驗操作，增加了用戶的操作負(fù)擔(dān)[4]，因此，此次設(shè)計的客戶端模塊以傳統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行改進(jìn)，用戶無須下載任何軟件，其余操作只需交給后臺服務(wù)器處理即可，節(jié)省了大量操作時間。

1.1.3 顯示器模塊

為電工電子實(shí)驗平臺配備一個顯示器模塊，選取的顯示器為液晶顯示器，運(yùn)用LCD顯示屏作為實(shí)驗結(jié)果的輸出顯示屏。該液晶顯示器利用間接控制與直接訪問相結(jié)合的方式連接LF2327系列DSP芯片與T6942C液晶模塊。該模塊具有讀寫信號、采集指令數(shù)據(jù)、選擇信號及數(shù)據(jù)總線的功能[5]。

1.1.4 監(jiān)控模塊

為實(shí)現(xiàn)電工電子平臺安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需要設(shè)計一個監(jiān)控模塊，實(shí)時監(jiān)控平臺運(yùn)行情況，在平臺發(fā)生故障時能夠及時作出反應(yīng)。基于VITA架構(gòu)設(shè)計電工電子實(shí)驗平臺監(jiān)控模塊，通過VITA采集平臺運(yùn)行中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，構(gòu)成實(shí)驗平臺故障數(shù)據(jù)庫。管理人員可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時瀏覽、存儲、分析，達(dá)到對平臺全程監(jiān)控的目的。

1.2 電工電子實(shí)驗平臺軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)與嵌入式技術(shù)等，其中，傳感器技術(shù)是十分關(guān)鍵的，具有采集特定環(huán)境中的數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的功能，剔除干擾數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，提升平臺的響應(yīng)效率和穩(wěn)定性。

僅通過掃描設(shè)備不能夠滿足實(shí)際采集需求，為實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗中產(chǎn)生數(shù)據(jù)與平臺運(yùn)行數(shù)據(jù)的同步采集，需要對數(shù)據(jù)采集中的信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用傳感器技術(shù)對信號進(jìn)行處理，將信號轉(zhuǎn)換成可處理的數(shù)字信號。由于平臺中的信號一般較弱，還會附帶噪聲信號，產(chǎn)生干擾數(shù)據(jù)，因此，需要進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

運(yùn)用該平臺進(jìn)行實(shí)驗時，產(chǎn)生的信號傳遞函數(shù)公式為：

(1)

式中，R1表示輸入信號頻寬，R2表示輸入負(fù)載，V表示信號頻率值。通過公式(1)得到信號轉(zhuǎn)換過程中的功率耗損為：

(2)

式中，x2表示模擬信號，y2表示數(shù)字信號，w2表示含噪信號。

由公式(2)可以看出，通過調(diào)節(jié)模擬信號可以得到數(shù)字信號，同時，能夠得到轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的含噪信號，將含噪信號進(jìn)行剔除，降低功率耗損。

綜上，通過電工電子實(shí)驗平臺中各硬件模塊之間的相互連接作用，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的傳感器技術(shù)轉(zhuǎn)換平臺中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了平臺的快速、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 實(shí)驗驗證

為了驗證設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的電工電子實(shí)驗平臺的使用效果，對其進(jìn)行實(shí)驗驗證。以Simulink仿真模型為實(shí)驗平臺，以基于LabVIEW的電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗平臺和基于Matlab的電力電子虛擬仿真實(shí)驗平臺為對比，驗證設(shè)計平臺的有效性。

圖2為不同運(yùn)行時間下，平臺運(yùn)行穩(wěn)定性系數(shù)對比結(jié)果。其中，穩(wěn)定性系數(shù)用數(shù)值進(jìn)行表示，具體為0.1～1，數(shù)值越大，表示平臺穩(wěn)定性越好，反之，穩(wěn)定性較差。

圖2 平臺穩(wěn)定性對比結(jié)果

分析圖2可知，隨著運(yùn)行時間的增加，不同平臺的穩(wěn)定性系數(shù)均呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢，本平臺的穩(wěn)定性系數(shù)明顯高于其他平臺，穩(wěn)定性系數(shù)最高值將近0.9。該平臺采用傳感器技術(shù)感知并釆集實(shí)驗數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，降低了干擾數(shù)據(jù)對平臺穩(wěn)定性的影響，提高了平臺運(yùn)行的穩(wěn)定性。

表1為不同任務(wù)量下，不同平臺的用戶指令響應(yīng)時間。

表1 用戶指令響應(yīng)時間對比

分析表1中數(shù)據(jù)可知，用戶指令響應(yīng)時間最短僅為0.9 s，明顯低于基于LabVIEW的平臺和基于Matlab的平臺，說明所設(shè)計的系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)用戶需求，并作出響應(yīng)反饋。

3 結(jié)語

設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電工電子實(shí)驗平臺，以解決現(xiàn)有平臺存在的穩(wěn)定性不佳和用戶指令響應(yīng)不及時的問題。通過實(shí)驗驗證，該平臺穩(wěn)定性系數(shù)較高，能夠?qū)τ脩舻闹噶钭龀黾皶r反饋，充分說明該平臺的使用效果較好。雖然實(shí)驗平臺可以實(shí)現(xiàn)用戶對實(shí)驗過程、實(shí)驗數(shù)據(jù)的監(jiān)控與處理，但是沒有對用戶指令傳達(dá)的準(zhǔn)確性進(jìn)行深入研究，未來將以此為研究重點(diǎn)，進(jìn)一步提升實(shí)驗平臺的應(yīng)用效果。