李哪，王瑤

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

電子元器件在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用廣泛，然而其生產(chǎn)與測(cè)試的過(guò)程卻對(duì)能源資源和環(huán)境構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)[1]。電子行業(yè)不僅需要滿足不斷增長(zhǎng)的使用需求，還必須應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的技術(shù)和性能要求[2]。在這個(gè)快速變化的背景下不僅需要更高效的元器件自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，還需要確保這些設(shè)備在其整個(gè)生命周期內(nèi)都能以可持續(xù)的方式運(yùn)行，節(jié)能能源導(dǎo)向的設(shè)備設(shè)計(jì)成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵[3]。隨著能源資源的稀缺性和環(huán)境問(wèn)題的加劇，必須在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，思考如何減少電子元器件行業(yè)對(duì)能源的過(guò)度依賴，以及如何削減其對(duì)環(huán)境的不利影響[4]。上述問(wèn)題不僅關(guān)系到行業(yè)的可持續(xù)性，還涉及全球可持續(xù)發(fā)展的大局[5]。本文旨在探討一種全新的電子元器件自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹該設(shè)備的設(shè)計(jì)原理、性能特點(diǎn)以及對(duì)可持續(xù)發(fā)展的潛在貢獻(xiàn)，通過(guò)這一研究為電子元器件行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有益的思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)。

1 檢測(cè)設(shè)備構(gòu)成

電子元器件自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備由多種硬件和系統(tǒng)軟件組件構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)功能，檢測(cè)設(shè)備構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 檢測(cè)設(shè)備構(gòu)造圖

硬件組件主要包含傳感器：用于檢測(cè)電子元器件各項(xiàng)物理參數(shù)?？刂茊卧呵度胧轿⑻幚砥鳎?fù)責(zé)處理傳感器數(shù)據(jù)、控制設(shè)備操作，并執(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)算法。通信模塊：用于與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信，傳輸傳感器采集到的數(shù)據(jù)。電源管理單元：負(fù)責(zé)管理設(shè)備的電源供應(yīng)。軟件組件主要包括：應(yīng)用服務(wù)器：內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)，用于控制硬件和執(zhí)行設(shè)備的基本功能。數(shù)據(jù)分析：用于分析傳感器數(shù)據(jù)，檢測(cè)電子元器件的性能問(wèn)題或異常狀態(tài)。遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制軟件：遠(yuǎn)程設(shè)備與軟件組件建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和接收遠(yuǎn)程命令。

1.1 硬件組件

在節(jié)能上硬件選取低功耗的處理器、傳感器和其他電子元件，以降低設(shè)備整體功耗，其中包括TMP36 數(shù)字傳感器，工作溫度范圍：-40℃～+125℃，輸出電壓與溫度呈線性關(guān)系。Raspberry Pi 4 Model B 控制單元，四核ARM Cortex-A72處理器，4GB RAM，多個(gè)GPIO 引腳，運(yùn)行設(shè)備的操作系統(tǒng)，處理傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)算法，并與外部系統(tǒng)通信。ESP8266 WiFi 模塊，支持802.11b/g/n WiFi，具有TCP/IP協(xié)議棧。通過(guò)WiFi 將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。電源管理單元TI TPS62125 穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍3V～17V，輸出電壓可調(diào)。

1.2 系統(tǒng)軟件組件

嵌入式操作系統(tǒng)Raspbian OS，控制單元等硬件，運(yùn)行傳感器數(shù)據(jù)采集和處理軟件，以及自動(dòng)檢測(cè)算法。自動(dòng)檢測(cè)算法自定義Python 腳本，分析傳感器數(shù)據(jù)，例如連續(xù)溫度上升，以觸發(fā)警報(bào)或采取自動(dòng)措施。遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制：自定義Web 應(yīng)用程序提供用戶友好的Web 界面，允許用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、配置參數(shù)，并接收警報(bào)。

2 設(shè)備功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)能自動(dòng)檢測(cè)優(yōu)化

TMP36 數(shù)字傳感器是一個(gè)精確、數(shù)字化的傳感器，可以通過(guò)單一的數(shù)據(jù)線連接到Raspberry Pi，在物理布局上，確保傳感器可以輕松地接觸到要測(cè)量的電子元器件表面，以獲得準(zhǔn)確的元器件參數(shù)。Raspberry Pi 是一種功能強(qiáng)大的嵌入式計(jì)算機(jī)，其提供了豐富的GPIO 引腳和處理能力，并支持電源管理系統(tǒng)更有效地管理，適用于數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)，本文設(shè)計(jì)連接TMP36 傳感器的電路如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路原理圖

為確保設(shè)計(jì)電路具備抗電磁干擾性能，保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選擇一個(gè)適配器來(lái)供電Raspberry Pi，考慮電源管理模塊，以便在不需要時(shí)將其設(shè)置為低功耗模式，應(yīng)用其低功耗休眠模式和定時(shí)喚醒等功能，以最大限度地減少設(shè)備在非工作狀態(tài)下的能耗。在遠(yuǎn)程通信上選擇集成WiFi 模塊，連接到Raspberry Pi 上后配置WiFi 連接，使用WPA2 Enterprise 認(rèn)證啟用WiFi 網(wǎng)絡(luò)的加密，使用虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)（VPN），確保設(shè)備在外部網(wǎng)絡(luò)上可訪問(wèn)，為確保設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問(wèn)具有安全性，應(yīng)設(shè)定身份驗(yàn)證措施，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。

2.2 數(shù)據(jù)分析優(yōu)化

傳感器采集完成的元器件數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)WiFi 發(fā)送至應(yīng)用服務(wù)器后，由操作系統(tǒng)Raspbian OS 通過(guò)自定義Python算法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析，通過(guò)分析傳感器收集的性能數(shù)據(jù)，設(shè)備可以識(shí)別潛在的能源浪費(fèi)和性能下降問(wèn)題，并采取措施進(jìn)行優(yōu)化。此過(guò)程基于在軟件中加入特定算法以實(shí)現(xiàn)，本文使用的算法主要包括能源效率分析算法，此算法基于收集電子元器件的輸入數(shù)據(jù)，包括電壓（V）和電流（I），以計(jì)算電子元器件的輸入能量Input Energy（IE），并且此算法可以降低CPU 處理負(fù)荷和功耗，計(jì)算公式如式（1）所示。

式中，Δt為時(shí)間間隔。同時(shí)以相同的方法收集電子元器件的輸出數(shù)據(jù)，其中包括執(zhí)行的任務(wù)或產(chǎn)生的效果，以計(jì)算出輸出能量Useful Output Energy（UE），最后能源效率Energy Efficiency（EE）的計(jì)算公式如式（2）所示。

根據(jù)能源效率的結(jié)果采取優(yōu)化措施，如降低輸入電壓、改進(jìn)電路設(shè)計(jì)或減少待機(jī)功耗，以提高能源效率。之后使用數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析Moving Average（MA）掌握電子元器件未來(lái)狀況，數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析可通過(guò)移動(dòng)平均算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該算法基于收集一段時(shí)間內(nèi)的電子元器件性能數(shù)據(jù)，選擇合適的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)平均計(jì)算，以平滑數(shù)據(jù)并識(shí)別趨勢(shì)，其計(jì)算公式如式（3）所示。

式中，N 是用于計(jì)算移動(dòng)平均的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，Xi 是第i 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值。通過(guò)分析移動(dòng)平均結(jié)果，識(shí)別任何性能下降或異常的趨勢(shì)，如果趨勢(shì)顯示性能下降，觸發(fā)預(yù)設(shè)的報(bào)警信號(hào)并采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整工作參數(shù)或啟動(dòng)維護(hù)程序。

2.3 遠(yuǎn)程控制

在本文的設(shè)計(jì)中，遠(yuǎn)程控制主要基于不同的外界設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查看電子元器件的基本信息，同時(shí)遠(yuǎn)程發(fā)送控制檢測(cè)設(shè)備的簡(jiǎn)單指令，本文使用Adobe XD 設(shè)計(jì)用戶界面的外觀和布局，借助WebSocket 將用戶界面與應(yīng)用服務(wù)器建立數(shù)據(jù)鏈接通信，以實(shí)現(xiàn)從遠(yuǎn)程服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)或發(fā)送控制命令，確保前端界面能夠與后端服務(wù)器進(jìn)行通信，之后將用戶界面部署到云環(huán)境上，以便用戶可以訪問(wèn)，實(shí)行遠(yuǎn)程控制的流程如圖3 所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制流程圖

用戶訪問(wèn)請(qǐng)求發(fā)送至操作界面，界面會(huì)對(duì)用戶的身份進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后提示用戶選擇需要操作的功能模塊，若身份驗(yàn)證不通過(guò)，界面會(huì)自動(dòng)刷新，返回至主頁(yè)面重新驗(yàn)證，操作功能主要包括查看電子元器件基本信息以及對(duì)檢測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程控制允許設(shè)備在需要時(shí)啟動(dòng)，而在不需要時(shí)關(guān)閉，從而減少能源的浪費(fèi)，最終在界面會(huì)顯示操作后的具體結(jié)果。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)方案組裝檢測(cè)設(shè)備，確保設(shè)備和計(jì)算機(jī)連接正常，對(duì)7 個(gè)電子元器件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要包括檢測(cè)設(shè)備自身的運(yùn)作狀態(tài)和對(duì)元器件檢測(cè)效果的呈現(xiàn)，元器件以編號(hào)1-7 的方式做區(qū)分。同時(shí)選取某款常用的電子元器件自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備與本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行能耗對(duì)比，相同的運(yùn)行時(shí)間后將兩臺(tái)檢測(cè)設(shè)備的功耗記錄。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)定對(duì)7 個(gè)電子元器件自動(dòng)檢測(cè)的參數(shù)為電阻器，電感值，電壓容忍度，其正常數(shù)值范圍分別為50～80Ω，30～70H，10±5VT，于外部設(shè)備查詢的結(jié)果如表1 所示。

表1 自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果表

由自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果表中的結(jié)果可知，在對(duì)7 個(gè)電子元器件的檢測(cè)完成后發(fā)現(xiàn)，2 號(hào)元器件的電壓容忍度為16VT，處于異常狀態(tài)，5 號(hào)元器件的電阻為46Ω，處于異常狀態(tài)，其余元器件各項(xiàng)數(shù)值均在正常范圍內(nèi)，處于正常狀態(tài)，每個(gè)元器件的檢測(cè)時(shí)間均小于2 秒，并且沒(méi)有大幅度變化的趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備可正常檢測(cè)異常元器件，并準(zhǔn)確展示出元器件出現(xiàn)異常的具體參數(shù)及屬性，且每個(gè)元器件在檢測(cè)前后未出現(xiàn)互相干擾影響的情況，由此可見(jiàn)該自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)電子元器件的自動(dòng)檢測(cè)可發(fā)揮出優(yōu)異作用。在功耗上，常用檢測(cè)設(shè)備與新設(shè)計(jì)的檢測(cè)設(shè)備功耗記錄如表2 所示。

表2 常用檢測(cè)設(shè)備與新設(shè)計(jì)檢測(cè)設(shè)備功耗記錄表

由表2 中記錄的數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的電子元器件自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備在節(jié)能方面取得了顯著的進(jìn)步，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的設(shè)備平均功耗降低了25%，CO2排放減少了19%，綜合能效比下降了23%，由此可見(jiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的設(shè)備能夠更加高效地利用能源，并對(duì)環(huán)境保護(hù)做出了實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電子元器件自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著關(guān)鍵的角色，但其能源需求和環(huán)境影響已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。通過(guò)對(duì)設(shè)備硬件組件與軟件系統(tǒng)組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該設(shè)備在能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)降低能源消耗的同時(shí)，完成對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效分析以及遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備可有效檢測(cè)出電子元器件的具體參數(shù)狀態(tài)，并且可穩(wěn)定地長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到高效自動(dòng)檢測(cè)元器件的目的。通過(guò)這一研究，以期為電子元器件行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有益的思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，減少環(huán)境負(fù)擔(dān)，為未來(lái)的電子元器件生產(chǎn)和測(cè)試提供更加環(huán)保和高效的解決方案。