方逸洲，張青野，趙中瑞，吳文俊

（1.上海儀電（集團(tuán)）有限公司中央研究院，上海 200233；2.上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200233）

0 引言

隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時(shí)代到來，數(shù)據(jù)成為了重要的生產(chǎn)要素，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)成為了重要的生產(chǎn)力。AIoT（人工智能+物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)，[1]是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)技術(shù)。AIoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決數(shù)據(jù)采集與上傳問題，AIoT 人工智能技術(shù)解決數(shù)據(jù)分析與智能化問題。

計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，其主要任務(wù)是推動(dòng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室以數(shù)據(jù)為核心，本質(zhì)并不是簡(jiǎn)單的去人工化，而是人、計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及智能化軟硬件有機(jī)結(jié)合，聚焦在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上。在符合計(jì)量校準(zhǔn)流程規(guī)范和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，建設(shè)數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)室。[2-3]本文結(jié)合AIoT 產(chǎn)品和技術(shù)，介紹數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐與探索。

2 數(shù)字化轉(zhuǎn)型系統(tǒng)

計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心，是緊密圍繞數(shù)據(jù)，以自下而上的數(shù)據(jù)流重塑流程，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室自上而下的價(jià)值提升，其系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架

通過研發(fā)的智能軟硬件，實(shí)現(xiàn)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)最終交付物（實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)表等）之間的數(shù)據(jù)打通，將實(shí)驗(yàn)交付物價(jià)值傳導(dǎo)至實(shí)驗(yàn)設(shè)備，形成上下一體的融合效應(yīng)。計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)，是構(gòu)建實(shí)驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)便操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)智能分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)出具的快速、高效流程。

為了打通計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的價(jià)值流，基于AIoT 技術(shù)設(shè)計(jì)軟件和硬件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 軟件和硬件架構(gòu)

針對(duì)有數(shù)據(jù)接口協(xié)議的計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)打通數(shù)據(jù)接口，采集與控制設(shè)備；針對(duì)有配套軟件的計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)備，數(shù)據(jù)分析軟件打通配套軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。采集到的數(shù)據(jù)匯聚至計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件中，軟件可以根據(jù)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對(duì)設(shè)備下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程的自動(dòng)化。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室中既無數(shù)據(jù)接口協(xié)議，又無配套軟件的設(shè)備，隨著邊緣人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來還可以探索使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備顯示面板數(shù)據(jù)的人工智能抓取。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件

3.1 硬件系統(tǒng)

計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化轉(zhuǎn)型，覆蓋萬用表校驗(yàn)、恒溫槽校驗(yàn)、互感器校驗(yàn)等計(jì)量校準(zhǔn)的常見實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。主要接入校驗(yàn)設(shè)備包括多功能校準(zhǔn)儀、堆棧式測(cè)溫儀、互感器校驗(yàn)儀等，主要接入被測(cè)設(shè)備有多功能萬用表等。

上述設(shè)備的數(shù)據(jù)接口均為標(biāo)準(zhǔn)RS232，其接口通訊協(xié)議均為開放?？紤]到后續(xù)對(duì)接計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和被測(cè)設(shè)備的通用性與兼容性，除了RS232 接口，本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件拓展一路RS485 接口。計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件部署于實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)終端，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與計(jì)算機(jī)采用USB 接口連接。

在設(shè)計(jì)上，考慮到對(duì)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)本身的防護(hù)，在RS232、RS485 接口上設(shè)計(jì)了浪涌和靜電防護(hù)電路，在USB 接口上設(shè)計(jì)了靜電防護(hù)電路。網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)框圖

3.2 嵌入式軟件

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)，包含設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，以及與計(jì)算機(jī)端計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件的數(shù)據(jù)通訊。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與不同的設(shè)備均為RS232 接口連接，但各設(shè)備的接口協(xié)議、串口波特率各有不同。

針對(duì)多功能萬用表（被測(cè)設(shè)備）、多功能校準(zhǔn)儀和互感器校驗(yàn)儀（計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)備），發(fā)送遠(yuǎn)程控制模式指令，配置指定測(cè)量模式（交直流電壓、交直流電流、電阻、頻率等，不同設(shè)備有不同的模式）和量程，采集數(shù)據(jù)。

針對(duì)溫度巡檢儀（計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)備），僅在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)串口初始化后，接收溫度數(shù)據(jù)即可。

由圖4可知，孔徑D=2.7mm時(shí)，壓鉚連接能承受的推出力為1 410N；孔徑D=2.78mm時(shí)，推出力只有760N。隨著孔徑的增加，壓鉚螺母的推出力逐漸減小。這是因?yàn)榘寮字車牧鲜軌毫Ρ粩D進(jìn)溝槽中，使螺母與板件連接。當(dāng)孔徑增大時(shí)，被壓入溝槽中的材料變少，接觸區(qū)域也變小。因此，其所能承受的推出力也變小。這表明，為了保證壓鉚連接的可靠性，板件的孔徑應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件通過串口轉(zhuǎn)USB 進(jìn)行通訊，波特率為115 200，1 位停止位，8 位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位。通訊協(xié)議采用JSON 格式，包括對(duì)下控制命令和對(duì)上數(shù)據(jù)上傳。

除了基本控制和上傳交互外，設(shè)計(jì)中考慮到交互確認(rèn)、超時(shí)跳出等冗余機(jī)制，例如數(shù)據(jù)分析軟件下發(fā)某條控制指令，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳輸至設(shè)備，獲得答復(fù)后將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)分析軟件，控制流程確認(rèn)完成方可進(jìn)行下次操作。超時(shí)或未有答復(fù)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)交互失效。通過各類機(jī)制，確保數(shù)字化改造后具備的可靠性與穩(wěn)定性。

4 數(shù)據(jù)分析軟件

4.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件架構(gòu)如圖4 所示，基于Electron 和Vue 框架研發(fā)，使用的編程語言包括JavaScript、HTML、Python 和C++等。整個(gè)系統(tǒng)分為通訊層、服務(wù)層和擴(kuò)展層。

圖4 分析軟件架構(gòu)

4.2 通訊層

通訊層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和設(shè)備配套軟件的通訊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制以及配套軟件中特定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，通過串口端口庫(kù)，開發(fā)“請(qǐng)求——響應(yīng)”和“訂閱——監(jiān)聽”通信機(jī)制，具備超時(shí)、數(shù)據(jù)核驗(yàn)等冗余功能。針對(duì)設(shè)備配套軟件，通過動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)注入方式，遍歷windows 應(yīng)用程序的特定進(jìn)程，讀取對(duì)應(yīng)組件，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.3 服務(wù)層

服務(wù)層是數(shù)據(jù)分析軟件的核心層，包含實(shí)驗(yàn)管理、公共組件、數(shù)據(jù)模板、數(shù)據(jù)報(bào)表等模塊。

實(shí)驗(yàn)管理是計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的重要單元，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建不同的實(shí)驗(yàn)流程，采集和控制通訊層，支撐擴(kuò)展層呈現(xiàn)。以本文構(gòu)建的多功能萬用表計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)為例，在實(shí)驗(yàn)管理模塊中實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的主要流程，包括設(shè)備初始化、逐行自定義測(cè)量、一鍵測(cè)量等功能。

公共組件模塊實(shí)現(xiàn)了路由、配置、串口狀態(tài)偵測(cè)等通用功能，封裝通用視圖組件，包括矢量圖標(biāo)、導(dǎo)航欄、標(biāo)簽輸入等。

數(shù)據(jù)模板模塊中預(yù)加載實(shí)驗(yàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)模板，可在數(shù)據(jù)分析軟件界面進(jìn)行刪減及修改操作。

4.4 擴(kuò)展層

擴(kuò)展層是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的界面交互層，采用模板設(shè)計(jì)的方式，支持快速擴(kuò)展新增計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本文設(shè)計(jì)的分析軟件支持六類計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可對(duì)多功能萬用表、互感器、恒溫槽、示波器等設(shè)備進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，具有操作便捷、容錯(cuò)冗余、流程規(guī)范、智能化、自動(dòng)化等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)分析軟件界面如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析軟件界面

5 數(shù)字化轉(zhuǎn)型成效

基于上述設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的數(shù)字化改造，已覆蓋了六類計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。改造后的實(shí)驗(yàn)室以數(shù)據(jù)為核心，有效提升實(shí)驗(yàn)效率、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率、報(bào)告時(shí)效性。

以多功能萬用表計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，改造實(shí)例如圖6 所示。

圖6 中的計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程涵蓋交直流電壓、交直流電流、電阻、頻率等，共計(jì)108 項(xiàng)操作和數(shù)據(jù)記錄。在數(shù)字化改造前，傳統(tǒng)的計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程包括人工操作實(shí)驗(yàn)儀器、記錄數(shù)據(jù)、整理生成報(bào)告、人工核驗(yàn)等，耗時(shí)近2 h。

圖6 改造實(shí)例

通過本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析軟件通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)備通訊確認(rèn)和模式配置。通過“一鍵測(cè)量”按鍵，可在20 min 內(nèi)完成全部操作，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作界面如圖7 所示，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表如圖8 所示。

圖7 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作界面

圖8 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表

6 結(jié)語

AIoT 技術(shù)推動(dòng)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化轉(zhuǎn)型，圍繞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)流，研發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)分析軟件，覆蓋了六類計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。設(shè)計(jì)的計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)字化系統(tǒng)將大量人工操作改進(jìn)為智能型自動(dòng)化操控，改進(jìn)項(xiàng)目達(dá)到了提質(zhì)增效的良好效果。