文/彭奇平

（舟山技師學(xué)院，浙江舟山 316012）

職業(yè)院校的核心使命是為社會培養(yǎng)人才，而將課本上的知識應(yīng)用于實際生活中是培養(yǎng)人才的必經(jīng)之路。[1]物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的一門重要專業(yè)課，貫穿了他們在職業(yè)院校所學(xué)的所有專業(yè)課程。[2]職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，使他們更好地將課本上的內(nèi)容與專業(yè)的實踐技術(shù)相互配合，切實地運用到工作之中。[3]

1.物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)平臺整體架構(gòu)設(shè)計

對于數(shù)據(jù)的采集和處理是物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)平臺架構(gòu)部分的兩個關(guān)鍵設(shè)計，除此之外，物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)平臺還需要加入智能控制作為第三個輔助部分。[4]一套實用的物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)平臺，類似3G、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)等。在讀取之后對實訓(xùn)平臺安裝模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，學(xué)生可以由易到難、循序漸進(jìn)地深入掌握技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)平臺可以擴(kuò)展和開放，既滿足教師教學(xué)和科研的需要，又允許教師創(chuàng)建新的項目。它的各個終端傳感器設(shè)備分別交聯(lián)，組成互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其主要用于對象感知的檢測和識別，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，得到各個位置上的數(shù)據(jù)響應(yīng)，以實現(xiàn)對傳感器的有效控制。

平臺傳感位置的關(guān)鍵功能在于采集和處理信息數(shù)據(jù)，組成部分有傳感器和ADC兩部分。平臺傳感位置的主要工作是：對輸入量與輸出量做出采集模擬，附帶功能是對數(shù)字的輸入及輸出做出采集工作，第一時間監(jiān)控外部及內(nèi)部的環(huán)境。在受到更大的影響時，實訓(xùn)平臺內(nèi)部系統(tǒng)在第一時間通過傳感位置做出信息相關(guān)的傳遞處理，以便平臺正常運行。

2.實訓(xùn)平臺插箱安裝優(yōu)化設(shè)計

薄板折彎插箱、型材彎制插箱和鑄造插箱為最常見的三種插箱類型。機(jī)柜和插箱之間通常會有導(dǎo)軌進(jìn)行活動對接，這樣做的目的是方便連接，通過機(jī)柜兩個端口的圓軸銷，將插箱掛在導(dǎo)軌的支撐座上，實現(xiàn)插箱在導(dǎo)軌上的自由翻轉(zhuǎn)擱置。

因為沖擊震動的影響，機(jī)柜的插箱有時會出現(xiàn)底板變形的情況，更嚴(yán)重的還存在板面斷裂的可能，使得安裝在底板上的一些部件受到損壞。導(dǎo)致底板在安裝過程中出現(xiàn)斷裂和變性的情況并不少，主要是因為：底板的剛強(qiáng)度不夠，低頻狀態(tài)時的共振會使得構(gòu)件的強(qiáng)度小于應(yīng)力上限。在振動頻率較低的環(huán)境中，應(yīng)力變形會導(dǎo)致構(gòu)件的強(qiáng)度下降和疲勞受損。這時，設(shè)計人員就需要對插箱的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。與平常使用的插箱不同，實訓(xùn)平臺采用的插箱會相對在外形和型號上有所改動，改進(jìn)插箱的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒌碗A頻率進(jìn)一步提升，剛強(qiáng)度也會隨之增加，從而進(jìn)一步提高抗震性能，確保插箱中的各個部件可以正常運行。模擬分析實訓(xùn)平臺的插箱數(shù)據(jù)，其前階固有頻率如表1所示。

表1 插箱前四階固有頻率

為了增強(qiáng)電子設(shè)備，增強(qiáng)插箱的抗震性能，設(shè)計人員需要對插箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗沖力的優(yōu)化設(shè)計，拉升插箱的低階固有頻率；在底板的位置上使用加強(qiáng)的筋板，從底部的位置提高剛強(qiáng)度，壓縮低階發(fā)生形變的可能；上側(cè)折邊，提高左右面和后側(cè)的剛強(qiáng)度；布置加強(qiáng)筋的位置要放在實訓(xùn)平臺插箱底板的外側(cè)部分，布置加強(qiáng)筋的數(shù)量與一般機(jī)柜使用的插箱不同，要有所提升。

3.職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺散熱交換器是一種利用自然冷源的溫度控制裝置。各種精密復(fù)雜的電子電器元件和設(shè)備的集成度與熱密度越來越高，設(shè)備的發(fā)熱量也越來越大。設(shè)備本身對高溫的敏感性比較高，長期在40℃以上的環(huán)境中運行將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。散熱空調(diào)的選擇主要考慮實訓(xùn)平臺產(chǎn)生的總熱量。散熱空調(diào)的功率可以根據(jù)總熱量來選擇，公式如式（1）所示:

式中，tQ為安裝結(jié)構(gòu)的總產(chǎn)生熱量；iQ為平臺內(nèi)部元器件的發(fā)熱總熱量；rQ為平臺外傳至機(jī)柜內(nèi)的熱量。

平臺設(shè)計人員需要設(shè)計更加強(qiáng)大的散熱能力和更為長久的散熱器使用壽命。由于使用環(huán)境的不同，設(shè)計人員還應(yīng)考慮戶外的防塵、防雨等問題，且需了解實訓(xùn)平臺的密封性及是否帶有隔層等信息。

4.物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺控制機(jī)柜截面選取

由于物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺的安裝結(jié)構(gòu)參數(shù)是根據(jù)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來設(shè)定的，因此，設(shè)計人員需要對控制機(jī)柜進(jìn)行模態(tài)分析，通過模態(tài)分析對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算值的模態(tài)評估，計算實驗機(jī)柜在測量和計算時存在的誤差最大值，以尋求較為準(zhǔn)確的近似性數(shù)據(jù)。模態(tài)分析得到的物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺機(jī)架型材截面安裝結(jié)構(gòu)截面形狀和尺寸如圖1所示。

確定了合理的聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺后，設(shè)計人員可根據(jù)之前的結(jié)構(gòu)構(gòu)架以及設(shè)計，采取組成機(jī)柜的材料和形狀，分別在不同的截面形狀上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和收集，以方便在之后做好擬態(tài)，從而獲得機(jī)架的合適振型和固有頻率。

物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺安裝結(jié)構(gòu)的低階振型在機(jī)箱的立柱中部及頂部位置，可以檢測出最大的幅值差，這就是最大程度上的形變。造成這種形變的原因是，橫梁和立柱出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)彎曲，以致各截面型材的固有頻率發(fā)生變化，其數(shù)值如表2所示。其他截面上的固有頻率均小于C型截面的型材平臺安裝結(jié)構(gòu)的固有頻率，所以C型截面的型材機(jī)柜要大于其他截面機(jī)柜的綜合動態(tài)性能，才能使模態(tài)分析準(zhǔn)確有效。職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺多面臨低頻率從屬震動，為避免共振及提高結(jié)構(gòu)的整體可靠性，選擇C型型材平臺安裝方式較為合適。

表2 不同截面的機(jī)架固有頻率

基于這些參數(shù)建立的實訓(xùn)平臺安裝結(jié)構(gòu)為此次試驗中最合適的設(shè)計參數(shù)。設(shè)計人員通過對物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺的機(jī)柜結(jié)構(gòu)做出分析，得到其固有頻率和振型。依靠這兩個數(shù)據(jù)，設(shè)計人員可以對機(jī)柜結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性做出判斷，在動態(tài)環(huán)境中控制機(jī)柜不受機(jī)械干擾，并保證改進(jìn)機(jī)柜結(jié)構(gòu)時，可以降低薄弱的環(huán)節(jié)，并為此設(shè)計提供充分的優(yōu)勢。實訓(xùn)平臺的型材截面需要選對形狀，因為形狀制約著機(jī)架的固有頻率，其影響較為直觀。選擇適合的型材截面形狀，是從根本上改善立柱截面形狀，提高機(jī)柜的動態(tài)性能，使剛強(qiáng)度或質(zhì)量發(fā)生變化，從而調(diào)整固有頻率為適宜的設(shè)計頻率。

5.結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)教學(xué)平臺的建立由于運用了模塊化的結(jié)構(gòu)方式，開放性更為優(yōu)質(zhì)，解決了傳統(tǒng)綜合實訓(xùn)課程教學(xué)過程中遇到的問題，為學(xué)生提供了創(chuàng)新平臺。未來，實訓(xùn)平臺有望在多方面得以應(yīng)用，吸引更多物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生，使其產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，并更善于實際操作，從而提高他們的綜合能力。