基于物聯網技術的環境試驗箱溫度監測預警系統

李曉茜，丁勇，安淇雨

（深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055）

引言

溫度類試驗主要用于模擬產品的不同使用環境，以此考察產品對溫度應力的耐受性。該試驗驗是適用范圍廣的基礎測試，檢驗檢測機構常有開展。溫度試驗使用的溫箱在設定程序后，可24 h連續運轉，有的測試條件會要求連續運轉上千小時。這中間，溫箱控溫的穩定性，箱內樣品尤其是上電樣品的散熱情況，都需要隨時關注[1]。比較傳統的方法，是會安排人力巡視，確認試驗箱和樣品狀態是否正常。這種方式會占用大量的人力資源，而且在溫箱跨樓層跨基地分散布置的情況下，巡視人員無法確保險情發生時第一時間在場。考慮到這種情況，近些年新開發的溫箱已實現在線聯網監測。但對于開展業務較早的機構，存在多品牌，多型號溫箱混用的情況，無法統一使用某一品牌的監測軟件[2]。本文主要針對這種情況，設計了一種基于物聯網技術的環境試驗箱溫度監測預警系統。在不更換溫箱的情況下，采用加裝溫濕度傳感器、數據收發報警器，定制云平臺的方式，實現了實驗室溫箱智能化管理，提升了安全管理的質量及效率，保障了生產安全。

1 系統設計原則與架構

環境試驗箱在線智能溫度監測系統通過物聯網技術對可能引起火災等安全事故的主要因素進行持續的數據跟蹤采集與統計分析，實時發現線路、溫箱和上電樣品存在的安全隱患，即時預警，消除電氣火災安全隱患，實現“防患于未燃”的目的，以便解決實驗室設備分散巡查難、電氣隱患肉眼無法直觀檢查等隱患排查難題。通過選用具備特定功能的傳感器、智能網關報警器以及建設實驗室安全監管平臺，實現試驗現場與巡查人員、試驗工程師的信息交互，讓他們能隨時隨地掌握設備與現場隱患，并及時進行管控[3-5]。

系統架構圖如圖1所示，感知層為加裝在試驗箱內的溫濕度傳感器，傳輸層為箱外的網關報警器，通訊層為移動空中網，展現層為電腦端和手機端的在線監測云平臺。溫濕度傳感器采集溫度、濕度等主要運行參數。通過箱外的網關報警器，接入在線監測云平臺進行點對點管理。當監測到的數據超過了設置的告警閾值時，智能網關報警器通過4G移動通信，將告警信息送至在線監測云平臺，平臺將超溫告警信息通過現場蜂鳴器，電腦端彈窗和短信功能通知用戶。

圖1 智能監測系統網絡拓撲圖

2 系統關鍵技術

2.1 不同耐候性多傳感器融合系統

檢測實驗室常見的溫箱種類繁多，包括溫度標箱、快速溫變箱、溫度沖擊箱及烤箱等。若不是統一采購，這些試驗箱會存在品牌、型號多樣，很難采用某一品牌的監測系統。又因設備的溫度跨度大（至少（-70～300）℃），包含了極寒和酷熱工況。在選擇監測傳感器時，為追求性價比，建議混用多類型的傳感器，如市面上常見的數字溫濕度傳感器（-40～125）℃和PT100耐高低溫模擬溫度傳感器（-70～300）℃。常規溫度范圍的設備，建議用低成本數字溫濕度傳感器，選擇汽車級集成電路定制。溫度范圍跨度大的，可以選用更嚴酷的模擬傳感器、定制線纜、數據采集模塊及無線數據收發模塊。同時，需要定制兼容數字溫濕度傳感器、模擬溫度傳感器、濕度傳感器的綜合系統。

2.2 遠程可設定的設備現場報警器開發

區別于簡單的溫濕度監測系統，新開發的監測預警系統需實現數據雙向無線傳輸、現場設備需自帶微處理器和聲光報警器。新設計的數據收發報警一體機是通過4芯數據線對傳感器進行供電，使用WIFI無線模塊上傳傳感器數據信息，接收服務器端閾值設置命令。自帶現場聲光報警器，溫濕度超過閾值可進行現場報警提示。自帶繼電器聯動輸出，超過閾值可進行現場聯動處置。高速上傳溫度記錄，完整記錄溫變速度過程，可0.1 s一次。由此可實現設備如超出設定溫度范圍，除了遠程、移動端提示，還可現場聲光報警。

2.3 與環境試驗室業務高度匹配的軟件平臺定制開發

考慮到實際使用情況，定制開發了與實驗室業務高度匹配的軟件平臺。實際平臺工作過程為：數據收發器通過wifi連入云端平臺；平臺軟件和手機APP通過云端服務器接收數據；平臺軟件通過云端遠程下發對傳感器的控制指令；控制電腦控制顯示屏展示數據。具體效果圖如2所示。

圖2 系統數據傳輸示意圖

3 平臺設計及功能模塊

3.1 溫濕度監測管理平臺

溫濕度監測管理平臺是環境試驗箱溫度監測預警系統的集中網絡管理平臺，用于管理安裝的設備、資產信息、查看監測數據及關聯報警人員。登錄系統后，可以查看系統管理、資產管理、歷史記錄、試驗箱運行統計和日志記錄等一級菜單。該平臺可以對試驗箱溫度、濕度進行實時監測并進行數據分析，對超溫情況進行預警，防止試驗箱溫度過高，損壞設備或樣品，避免引發火災。平臺在發現超溫預警時，可通過遠程、移動端提示、現場聲光報警等多種途徑及時通知負責的工程師，確保實驗安全。

3.2 主要功能模塊

3.2.1 實時狀態顯示查詢

系統能正確顯示設備當前的狀態（停機，運行，超溫故障），并可設置停機為灰色顯示，運行為綠色顯示，超溫故障為紅色顯示。可選配輪播所有設備當前狀態的大屏顯示系統，大屏界面能實現設備溫濕度監測的實時狀態顯示，并能通過自動翻頁顯示所有監測中設備，翻頁時間、刷新時間均可設置調節，方便實驗室工程師和巡查人員查看。同時，用戶在移動端也可查看設備在線運行狀態。

3.2.2 現場及遠程異常報警

系統可進行多臺監測傳感器組網，可實現100臺以上設備同時監測。系統對境內聯網的監測傳感器，無地址要求，境內聯網設備均可接入。系統軟硬件能相互兼容，可完成智能溫度監測設備的系統性監測。云端平臺能將監測傳感器及網關設備的數據信號正確解析顯示，并能及時發現上傳的報警、離線等信息。溫箱報警溫度范圍、報警顯示方式均可設置。當出現異常超溫故障時，系統能在大屏的當前頁面彈出超溫故障的報警，并發出聲音警示，同時觸發其他設置的警示方式（如短信，APP），及時提醒不在現場的相關人員處理故障。

3.2.3 設備資產管理

系統可一次性錄入設備資產情況，在選擇設備時主界面會顯示設備資產信息包括資產編號、廠家、溫度范圍、計量有效期、內容積、資產位置、額定功率、資產管理員等，方便管理使用設備。在網運行設備工況修改情況會被記錄，如在線填寫運行工況、上下限值、修改時刻、操作人員信息等。設備運行記錄可被記錄統計，如設備的7日內運行記錄、24 h內溫濕度曲線。

系統具備工作時長統計功能，能統計每臺箱子的工作時長，可查詢上一個月份的總工作時長占比。系統能夠顯示每個設備的逐日和累積高溫段、低溫段及常溫度的工作時長。任意設備的工作溫度段累計可查可分析，還可對設備利用率進行分析，生成溫箱利用率數據，所有設備工作時間排行榜（按工作時間、按高溫時長、按低溫時長排行）。

3.2.4 數據存儲分析

系統具有數據存儲功能，可進行測試數據存儲并可進行后期數據采集應用。系統具備數據導出功能，支持對同一設備按高溫降序排列、按低溫升序排列，可迅速查找設備運行的溫度極值及日期。數據導出可設置不同導出方式，如按傳感器、時間導出記錄、按工作時長導出記錄、導出資產管理記錄，可滿足日常測試管理需要。

4 總結

環境試驗箱溫度監測系統能夠實現檢測機構實驗室自動化、智能化管理，支撐檢測機構及時處理實驗室突發狀況，有效減少意外事件發生，切實保障人身財產安全。智能網關、4G無線組網的應用，有效解決了傳統實驗室升級項目中施工周期長、難度大、破壞既有裝修、影響測試安排等問題。經實際應用驗證，該系統有效提升實驗室安全管理的質量及效率，降低安全監管成本。