基于物聯網技術的實驗室自動加料設備研發

李戴威，周江玥，劉笑誠，楊小玉，潘麗燕，陶玉強

南華大學，湖南，衡陽，421200

0 引言

先進制造技術與物聯網技術的深度融合，使實驗室向無人化、自動化、智能化方向邁進。實驗室內工作繁雜，科研人員因實驗需要而長期困坐于實驗臺前，縮減了真正投入研究的時間。因而，加強實驗室智能化儀器裝備技術的研究和應用，引導實驗室儀器向智能、高效、無人化方向發展，提高裝備的智能化和自動化水平，讓科研人員從實驗室中解放出來，這是實驗室發展的趨勢,也是現代化科研方式的必然要求。加料是實驗或生產中無法避免的環節，加料過程的自動化對搭建智能的工作實驗場所尤為必要。因此，本文針對實驗中典型的環節——加料，展開探索，為其現代化的轉變貢獻了智慧。

相較于國外，國內對于無人化平臺的研究起步較晚，20世紀80年代末才在國內出現且只被應用于軍事領域。現如今，由于圖像處理、數據處理、物聯網技術的發展，這項技術已經出現在工業、農業等其他領域。隨著科技發展的需要，越來越多的研究人員涌入實驗室，引發了實驗室空間不足、實驗效率低下、實驗數據收集整理繁瑣等問題。為了解決這一問題，無人化工作平臺向實驗室擴展，形成了實驗室管理系統（LIMS）。隨著第四代LIMS出現，人們將LIMS與網絡聯系起來，采用B/S體系實現了對實驗室的環境進行監控和遠程操作[1-2]。

圖1 模塊設計圖

在實驗室智能管理系統如火如荼開發之際，市面上主流的實驗設備依舊以老式、笨重、人力操作的傳統實驗儀器為主[3]。新型、智能的實驗設備發展緩慢，這必然會從根本上拖慢實驗室無人化、現代化的進程。所以，本文從智能化的實驗室加料設備入手，展開設計、調試、實驗等一系列工作，對現代化的實驗室儀器設計進行了深入的思考，提出了一種無人化加料設備的設計思路，并通過實驗驗證了設計方案的可行性，為智能化實驗室的發展貢獻了自己的智慧。

1 設備總體介紹

本文所設計的加料設備由加料模塊、封口模塊、傳感器模塊等模塊共同組成[4]，模塊設計如1所示。設備通過STM32控制系統，完成裝置運動交互、傳感器數據傳輸、攝像頭圖像采集以及遠程控制等一系列功能。在設備使用前，可通過移動端APP激活裝置的運行，方便使用者在屏幕上輸入加料的容量和種類。設備讀取輸入指令，即可利用遠程控制技術遙控封蓋機構打開注料口。與此同時，齒輪-螺旋壓注模塊將物料從擠出口注入配料容器中，多維度傳感器同步檢測數據并將其傳輸到移動端，并同步反饋加料進程。在裝置運作過程中，傳感器會同步檢測故障或者加料異常，并反饋到移動端進行報警。設備工作完成后，壓注模塊自動結束工作，封蓋機構也隨之關閉注料口。在這個過程中，使用者可以借助APP的監測界面，查看攝像頭采集的實時工作情況和傳感器收集到的加料數據。設備的參數信息可見表1。

表1 設備參數信息表

2 各模塊介紹

2.1 加料模塊

加料模塊作為機械設計兩大模塊之一，承擔著注入液料和控制液量的任務。在設計時，本文一改以往計量泵轉鼓式加料、螺旋加料器加料、電磁振動加料的注料方式[5-7]，采用齒輪-螺旋壓注方式。在設備中，動力通過多級齒輪傳動機構傳遞到螺旋副，螺旋副下壓擠出液料。雙槽式儲料罐與其配合使用，大槽為儲料槽，小槽為注料槽，兩槽中間有轉運小孔相通，這樣的設計可同時保證注料的精度要求和儲料的容量要求。加料方式可以根據實地需要采用轉盤式或者直線式（圖2）。

2.2 封蓋模塊

封蓋模塊與加料模塊一同構成加料過程機械模塊，該模塊可以及時關閉注料口，防止加入的試劑被污染。文中介紹了兩種封蓋模塊設計方案：螺旋傳動式、虹膜式（圖2）。螺旋傳動式封蓋機構，將封蓋劃片固定在滑臺螺母上，依靠螺旋副旋轉時帶動上部螺母的前后運動，實現封蓋效果。虹膜式采用旋轉封蓋的方法，動力輸入后，四周的封蓋劃片將在弧形導槽的導向作用下向中心運動，完成封蓋工作。這兩種封蓋模式均可以實現遠程控制下的無接觸式封蓋。此外，封蓋機構與液料儲存區域分離，充分隔絕了試劑與外界環境,降低了試劑受到外界環境和機構本身污染的可能性。

圖2 加料設備以及封蓋設備設計圖

2.3 傳感器模塊

裝置在工作時可以實現加料量的動態檢測和實時反饋，這得益于傳感器技術的支持。為了使加料量更加精準，該裝置從三個方面計量加料量：（1）加料結構的傳動比計算；（2）超聲波測距傳感器測量液面；（3）罐底壓力傳感器檢測重量。超聲波模塊使用的是US-100模塊，次聲波模塊可以實現2cm～4.5m的非接觸測距，探測精度為（0.3+1%）cm，自帶測距傳感器對測距結果進行矯正，測量結果更準確可靠。其中，壓力傳感器選用JHBM-H1應變式平面測力傳感器，測量范圍是0～10kg，蠕變±0.05FS/30min，綜合精度0.1%FS，可以滿足測量容器內液體重力的測量。

2.4 圖像采集與遠程控制模塊

實時檢測與遠程控制是本設計的亮點所在。遠程控制模塊的設計使操作者可以遠程監測儀器使用情況，并完成遠程控制。本裝置采用ESP32-OV2640攝像頭。在調試模式下，借助ESP32的STA模式，通過WiFi向上位機傳輸圖像。同時，上位機也可以反向傳輸控制信息，經過解算后，通過串口通信STM32單片機執行相關控制信號。

2.5 移動終端APP

移動終端的設計優化了設備的人機交互體驗，令使用者擺脫了端坐試驗臺的窘境。每臺設備自帶獨立的WLAN信號以及設備ID，使用者可以通過掃碼，連接局域網或者連接藍牙來控制機器。用戶的上位機可以與ESP32的藍牙信號連接，實現用戶與加料機的雙向通信。

本裝置對應的移動APP，主要包含以下功能：設置加料信息（體積與種類）、故障報警、監控加料情況、遠程控制、數據處理。

2.6 電路設計

步進電機使用芯片DRV8825進行驅動，DRV8825可以驅動8.2～45V，2.5A以下的步進電機。該芯片可以通過調節電位器限制最大輸出電流，從而獲得更高的步進率。另外，該芯片具有過熱關閉電路、欠壓鎖定、交叉電流保護功能，保護電路防止突發狀況的發生。為了滿足對多路步進電機的控制需要，制作了控制擴展板。此擴展板的目的是方便單片機控制多路步進電機，避免了繁瑣的接線。同時為了防止突發事件導致的電路損壞，只需要簡單的更換芯片模塊即可，簡化了維修過程。

3 模型的搭建與實驗

為了驗證裝置機構設計的可行性和數據傳輸與控制的穩定性，本文搭建設備模型并進行了功能測試。本文搭建的加料系統物理實物如圖3所示，其由控制模塊、電源模塊、加料模塊和封蓋模塊組成，可以通過STM32單片機實現無人化的加料過程。

圖3 物理實物模型

在實際測試中，采用乙醇溶液作為注入料。依照設計將試驗模型安裝到位，并檢查系統的運行狀況。測試開始，通過移動端輸入加料數據（種類和含量），裝置接收到指令，封蓋機構與模塊的電機開始工作。液料有序地滴入容器中，單次滴加的誤差小于0.2mL，滿足大部分實驗的要求。傳感器可以讀取到加料數據并回傳到移動端，移動端操作正常可以準確讀取并控制設備運動。

試驗結果表明，本裝置可以實現精密的自動化注料、遠程移動端控制，圖像與數據傳輸符合無人化作業的條件。裝置配套APP的設計提高了人機交互體驗感，獨立ID設備的設置增強了設備的安全性，而傳感器的設施和濾波算法的選擇使加料的監測更加靈敏。

4 結論

（1）本文通過機械結構設計和電路控制設計，構建了一套應用于無人化場所的遠程加料控制設備。該設備可以實現多種液料的高精度配比式添加，利用移動端APP遠程控制可實現攝像頭實時監控與傳感器精確反饋等功能。

（2）針對該設計搭建了真實物理模型并進行實驗測試。測試結果表明，該設備可以滿足多種物料的連續添加，且添加精度為（0.2±0.1）mL。在數據傳輸方面，實物裝置和移動端APP之間可以實現10m范圍內的數據交互，數據傳輸延遲為1μs。

（3）新型加料設備在智能化和無人化方面較傳統加料儀器有極大改進。新時代背景下，無人化、智能化、遠程化實驗儀器將成為主流浪潮，本文所提出的無人化加料設備將會成為新形勢下互聯技術的縮影，為未來實驗環境開創一個良好的開端。