基于物聯網技術的臺架監控系統設計與實現

丁 旭，盧占領，范振陽，江 堯

（中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

0 引 言

物聯網的廣泛應用正在改變人們的生活方式，共享單車、共享汽車等物聯網技術產品已在日常生活中普及。未來，無人駕駛、智慧交通等的大力發展也離不開物聯網技術。

高等院校作為新技術應用的前沿陣地之一，物聯網的理念己融入校園的信息化建設之中。高校實驗室已有大量研究投入到“物聯網+智慧”實驗室建設中[1]。西安電子科技大學為全校師生提供了一個集信息整合、采集、傳輸、發布于一體的綜合信息服務平臺，實現了教學過程的全面信息化，提高了教學管理水平和教學效率[2]。杭州電子科技大學的林魯春以物聯網為技術背景，針對實驗室存在的問題，以物聯網感知層、網絡層、應用層為設計結構，制定了系統方案并搭建了智慧實驗室系統框架結構[3]。

汽車檢測試驗室在此領域研究較為滯后，物聯網+試驗室模式尚屬起步階段。以臺架試驗室為例，試驗涉及設備眾多，且包含大量老舊儀器設備。因此實現試驗室內設備互聯互通以及臺架試驗的實時有效管控，需進行合理布局和精心設計[4]。本文按照圖1所示的物聯網架構模式提出了傳統臺架試驗室搭建智能監控系統的技術方案，利用該系統降低試驗出錯概率，提高試驗運行效率，并減少試驗值守人員數量[5]。

圖1 臺架監控系統架構

1 設備信息采集

臺架試驗室需進行信息采集及遠程控制的設備主要分為兩大類，一類為單臺架獨立使用設備，如：排氣背壓閥、進氣壓力閥、進氣空調、全室空調、風機等；另一類為多臺架共同使用設備，如：冷卻水設備、冷凍水設備、供油裝置、壓縮空氣裝置、控制間空調等。

1.1 單臺架獨立使用設備

單臺架獨立使用設備特指某臺架獨享設備，采用就近臺架集成方式，便于使用與管理。試驗室所有臺架均預留了擴展I/O口，方便與小型儀器設備進行模擬量/數字量信息交互。試驗室使用臺架主要品牌為HORIBA與AVL，兩種臺架與設備通信的方式類似。

HORIBA臺架通過LAM002模塊進行模擬量采集，通過臺架擴展I/O模塊進行模擬量輸出控制和數字量輸出設置。

AVL臺架利用F-FEM-AIS模塊進行模擬量信號采集，利用F-FEM-DAC模塊實現模擬量信號輸出，利用F-FEMDIO模塊實現數字量輸出，進而控制設備的開和關。

1.2 多臺架共同使用設備

多臺架共同使用設備涉及冷卻水設備、冷凍水設備、供油裝置、壓縮空氣裝置、控制間空調、控制間換氣設備等。上述設備具有位置分散、距離較遠、所有臺架共同使用等特點，不便集成至某一臺架監控，根據設備分布位置，設置了3個數據采集點，利用數采模塊分別采集附近設備信息。3個數據采集點的數采設備均使用NI cDAQ-9185模塊。

（1）采集點1的數采模塊配備了NI 9203板卡，用于采集3個油壓傳感器信號、壓縮空氣壓力和壓縮空氣濕度傳感器信號。

（2）采集點2的數采模塊配備了NI 9203和NI 9219兩塊板卡，NI 9203用于采集冷卻水壓力和液位傳感器信號；NI 9219萬能型板卡用于采集冷卻水出水溫度傳感器信號。

（3）采集點3的數采模塊配備了數字量輸出NI 9472板卡，該板卡通過控制24 V繼電器的通斷，進一步控制冷凍水水冷機組水泵、控制間空調室外機水泵和控制間換氣設備的開與關。

2 數據網絡傳輸

采集的設備信息，各臺架的試驗數據，以及視頻監控信息，均需安全可靠地傳輸至主控系統。

通過開通各臺架的數據外傳與接收端口，利用串口或網絡協議將臺架與主控系統建立聯系，實現對所有臺架數據的統一監控與管理。根據監控預期效果和臺架當前預留端口等條件，HOROBA臺架和水冷機組供應商選擇Modbus-RTU通信協議，AVL臺架供應商使用UDP網絡通信協議，兩種通信協議均能夠實現臺架與主控系統實時、穩定、高效的數據傳輸。數采模擬與視頻監控采用常用的TCP網絡協議。臺架監控系統設備組網布局如圖2所示。

圖2 臺架監控系統設備組網布局

2.1 Modbus RTU通信設備

HORIBA臺架和水冷機組均選用Modbus RTU通信方式。Modbus RTU采用二進制方式表示數據，具有傳輸效率高、傳輸數據量大等優點。HORIBA臺架利用Test Schedule模塊編寫腳本程序，實現了數據的發送與接收。水冷機組控制器為西門子S7-200 SN型PLC，在原PLC程序中添加Modbus RTU通信模塊，選用RS 485通信方式，可滿足長距離通信要求。

將3個HORIBA臺架和2臺水冷設備設置為從機工作模式，主控電腦設置為主機模式，從機按要求將數據發送至主機。主機利用OPC Sever接收從機發送的數據，創建與從機一一對應的變量。LabVIEW利用DataSocket進行數據綁定，選擇OPC Sever中變量對應的URL路徑即可實現數據的讀取或發送。

2.2 TCP/IP通信設備

AVL臺架、視頻監控和數采模塊均采用了TCP/IP傳輸協議，TCP/IP傳輸協議具備網絡數據信息傳輸及時和完整等特點。

AVL臺架通過實時性和工作效率較好的UDP 協議，實現了AVL臺架與主控系統的快速通信。AVL臺架使用SCR模塊編寫數據發送代碼，再利用TCC模塊以一定頻率循環執行SCR模塊中的腳本。本監控系統軟件LabVIEW中自帶UDP協議信息獲取模塊，在該模塊輸入端設置與臺架對應的端口號，其輸出端將以一定的頻率輸出字符串格式的信息。

試驗室視頻監控設備為海康威視網絡攝像頭，視頻信號可使用TCP協議輸出，將所有攝像頭IP地址設置在同一網段，隨后利用交換機連接至主控系統。 海康威視為方便開發者處理視頻信號，提供了SDK開發包，該開發包包含了大量的案例以及程序庫文件，LabVIEW通過調用DLL庫文件中的DET_DVR_Login和DET_DVR_RealPlay_ V40函數，即可實現攝像頭圖像的實時預覽。

多臺架共同使用設備選用的信號采集模塊為NI cDAQ-9185，該模塊與主控系統通過TCP網絡通信。NI cDAQ-9185與程序編寫軟件LabVIEW均屬于NI公司設計的產品，NI提供了一個NI MAX配置管理軟件，可檢查識別NI數采模塊，快速便捷的將采集的數據傳輸至LabVIEW中。

3 監控應用交互

在網絡層中，利用不同的協議實現設備與主控系統的通信，包含HORIBA臺架、AVL臺架、水冷機組、視頻監控和數采模塊。利用編程效率極高的LabVIEW軟件編寫臺架試驗監控界面，實時監控試驗運行狀態，保證試驗高效進行[6]。

為保證對大量數據進行規范劃分、合理顯示及高效操作，將監控界面分為臺架數據與視頻監控、外圍輔助設備監控和設備狀態監控，監控平臺主界面如圖3所示。

圖3 試驗室監控平臺主界面

3.1 臺架數據與視頻監控

臺架試驗監控系統將試驗關鍵數據和樣件運行狀態作為監控重點。試驗關鍵數據監控采用曲線與圖表顯示相結合的方式，曲線顯示可選取4個變量，具有靈活選取變量、手動調節縱坐標、更改曲線顏色等功能。圖表顯示的內容包含數據名稱、上限報錯限值、上限報警限值、實時值、下限報警限值、下限報錯限值和單位。圖表具備自由選擇監控數據、在線更改上下限值、實時值背景根據限值變色和發聲提醒等功能。

視頻畫面可實時監測樣件狀態，當出現漏水、漏油或著火等異常狀況時，利用視覺主動識別技術監控試驗異常狀態，并報警通知值守人員，使得監控系統更加智能高效。

監控系統主界面中放置了2個臺架的監控信息，若需同時監控更多臺架試驗，可通過分屏的方式顯示其他臺架的監控信息。圖4所示為單臺架監控界面。

圖4 單臺架數據與視頻監控界面

3.2 外圍輔助設備監控

外圍輔助設備為所有臺架共同使用，公用設備適合集中監控。外圍輔助設備包括冷凍水設備、冷卻水設備、供油裝置、壓縮空氣裝置、控制間空調、控制間換氣設備和氣瓶間裝置。設備左上角名稱的背景色將隨設備狀態不同而變化，設備未開啟時，背景顏色為暗綠；正常運行時，背景顏色為亮綠；報警時，背景顏色為黃色并閃爍；報錯時，背景顏色為紅色并閃爍。設備的數據由PLC或數采模塊采集，數據正常時，使用黑色字體顯示，數值超過報警限值時，使用黃色字體顯示，數值超過報錯限值時，使用紅色字體顯示。同時，數值超出報警或報錯限值時，將發出聲音報警。

外圍輔助設備的開關變量隱藏在“控制”按鍵下方，點擊“控制”按鍵，彈出操作對話框，其中包含2臺水冷機組的啟動、停止、故障復位、水溫設置、新風換氣開關、冷凍水泵、空調水冷等控制變量，所有控制變量集中此對話框放置，既方便管理，又節省主界面空間，精簡了監控系統主界面。外圍輔助設備監控界面如圖5所示。

圖5 外圍輔助設備監控界面

3.3 故障信息監管

設備故障信息的監控分為2部分，分別是設備工作狀態和設備報警/報錯信息。設備工作狀態采用設備名稱列表加背景顏色變化的方式顯示，設備開啟與否、正常運行或報警/報錯與否，背景將通過顯示不同的顏色進行提醒。當設備開啟且發生報警或報錯時，時間、設備以及報警或報錯信息將顯示在設備報警/報錯信息表中，同時發出報警聲音提醒使用者。

通過顏色變化的視覺提醒，報警聲音的聽覺提醒以及詳細的報警/報錯信息，能夠輔助試驗值守人員第一時間發現異常狀況，并及時處置，避免造成試驗失敗或設備損壞等事故。故障信息監控界面如圖6所示。

圖6 故障信息監控界面

4 結 語

文中利用物聯網技術搭建了一個臺架試驗監控系統，實現了“物聯網+試驗室”的融合。首先，通過單臺架獨立使用設備就近臺架集成，多臺架共同使用設備設置3處采集點集中采集，完成感知層信息采集。其次，利用Modbus RTU、UDP、TCP等協議，實現臺架、PLC、視頻監控和數采模塊的網絡層數據傳輸。最后，對于應用層，使用高效的編程軟件LabVIEW編程搭建包含臺架數據與視頻、外圍輔助設備和故障信息的試驗室全方位監控系統。

該監控系統已能夠輔助試驗高效運行，與臺架監控形成雙重保護，并減少試驗值守人員。同時，初步利用視頻監控圖像和視覺識別技術，智能識別試驗異常狀況，為臺架試驗順利安全進行保駕護航，也為將來試驗室少人值守，甚至無人值守做好技術鋪墊。