基於物聯網的自動氮吹儀

基於物聯網的自動氮吹儀

摘要：介紹基於物聯網的自動氮吹儀的工做原理，硬件組成和軟件構架，以及原型機。

關鍵詞：物聯網;氮吹儀;原型機

 

Automatic Termovap Sample Concentrator Basedon Internet of things

 

 

Abstract： In this paper, theautomatic termovap sample concentrator based   on internet of things（IoT）was presented,whichinclued its theory,hardware ,software,and  prototype.

Key words: Internet of things; Termovap SampleConcentrator；Prototype

 

 

 

 

氮氣吹乾儀（Termovap Sample Concentrator），簡稱氮吹儀。一般是將氮氣吹入加熱樣品的表面，使溶劑迅速分離，實現樣品無氧濃縮。氮吹儀操做簡便，能夠同時處理多個樣品，普遍應用於農殘分析、食品、環境監測等行業的樣品製備中[1,2]。物聯網(Internet of Things)是一個基於互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓全部可以被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它具備普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化3個重要特徵。本文介紹基於物聯網的自動氮吹儀，採用物聯網智能硬件自助開發及物聯網雲服務平臺，具體爲機智雲gokit 3.0開發套件[3]。經過物聯網平臺機智雲提供的開發套件，把氮吹儀的液位傳感器與互聯網或局域網鏈接起來，以實現氮吹儀自動化控制和智能化管理。

1.工做原理

自動氮吹儀的工做原理圖（圖1）。高壓氮氣經過雙漩渦裝置，產生雙漩渦氣流，漩渦氣流做用在試管內樣品的表面，溶劑蒸發上升在試管中部經頂端排出，濃縮過程經過液位傳感器實現自動控制。氮氣流量0.6-1.2L/min,通過雙漩渦裝置在濃縮管內造成雙螺旋氣流，根據目標物和氮吹時間選擇不一樣的流量，同時根據流量調節氣流吹向溶劑表面的切入角，使溶劑均勻蒸發，同時均勻沖洗管壁，減小目標物損失，提升目標物回收率。

 

圖1 工做原理示意圖

 

2.硬件組成

自動氮吹儀硬件組成如圖2所示：主要包括主控制器、流量控制模塊、雙漩渦裝置、液位傳感器模塊、電源模塊和APP終端。流量控制模塊負責控制氮氣的壓力和流量。雙漩渦裝置負責將氮氣轉換成雙漩渦氣流，控制吹向液麪的切入角。液位傳感器負責向主控器傳送液位信號。電源模塊主要負責電壓轉換和電流驅動。APP終端負責軟件操做，顯示氮吹儀狀態。主控器採用機智雲GoKit 3，底層爲arduino平臺，經過esp8266接入網絡。主控器根據APP終端的指令和液位傳感器模塊的信號對流量控制模塊進行控制，並將流量控制模塊和傳感器模塊的狀態，發送到APP終端顯示。

圖2 硬件組成結構圖

 

3.軟件構架

自動氮吹儀軟件構架如圖3所示：主要包括設備端和客戶端[4]。設備端基於Arduino平臺，網絡通信採用機智雲的GAgent，MCU代碼自動生成；客戶端採用機智雲APP開源框架，封裝Android SDK。設備端和客戶端經過機智雲進行遠程交互或直接經過局域網進行交互。

 

圖3.軟件構架圖

 

4.原型機

原型機開發流程如圖4所示：首先註冊一個機智雲開發者帳號，在機智雲開發者中心點擊「建立新產品」後輸入自動氮吹儀，以及選擇自動氮吹儀接入方案爲MCU Arduino，完成「新產品」的建立。接着建立自動氮吹儀的數據點，數據點是一個產品的重要屬性，明確產品功能是產品智能化的第一步，自動氮吹儀定義了繼電器控制和傳感器狀態兩個數據點。以後根據建立的數據點自動生成基於Arduino開發的MCU協議。

 

設備端根據自動生成的協議，加入對傳感器狀態的讀入和對繼電器的控制，便可完成智能設備的開發。智能硬件上嵌入寫好機智雲鏈接協議GAgent的連網模塊，便可經過機智雲平臺實現設備連網及智能化，原型機連網模塊採用Wifi聯網方案接入。應用端，氮吹儀APP內集成機智雲提供的APP SDK，能夠鏈接機智雲平臺實現APP經過雲端控制智能設備。

 

產品調試過程當中，開發調試的設備將鏈接機智雲Sandbox服務器（測試服務器），該服務器爲開發者提供了完整的測試環境。虛擬設備是機智云云端可自動生成的一個仿真智能硬件，可模擬要開發或正在開發的智能硬件，來進行雲端設備控制、手機APP控制、上報數據等需求。首先經過虛擬設備來測試產品的功能是否可行，APP軟件功能是否完整。設備開發和應用開發能夠獨立與同時進行，最後將設備與應用統一調試，造成原型機。

圖4. 原型機開發流程

 

 

硬件方面，原型機主控器採用物聯網硬件機智雲Git 3.0模塊，液位傳感器採用電容傳感，一種是貼片電容傳感器，一種是柱式電容傳感，靜態測試後採用貼片式電容傳感器。貼片式電容傳感器型號爲XXC-Y26-V，輸入爲5-24V，輸出爲高低電平；流量控制採用節流閥和電磁閥，節流閥調節流量大小，電磁閥結合繼電器驅動模塊控制氣路打開與閉合。繼電器空氣模塊採用光電隔離，避免主控器與電磁閥之間的電信號的相互影響。靜態測試採用空壓機提供壓縮氣體。雙漩渦裝置採用6mm快速魯爾接頭配19g不鏽鋼針頭，180度雙向配置。全部零部件和機加工均來自互聯網。

 

軟件方面，原型機的氮吹儀APP採用機智雲開源框架，生成相應的APK安裝文件。氮吹儀APP功能如圖5所示，包括配置入網，設備綁定與登陸，設備搜索，設備遠程控制和局域控制，設備狀態更新顯示。將Arduino按鍵配置入網修改成默認Wifi模式自動入網，自動氮吹儀首次開機，ESP8266經過路由器與氮吹APP創建鏈接，這樣APP的ID和氮吹儀的設備ID就互聯互通，只需一次配置，就能夠實現設備發現與綁定，只要設備開機，網絡通暢，氮吹儀APP就能夠發現設備，併發送相關指令與設備進行互動。本地和遠程控制切換隻在於設備端鏈接的路由器是否接入互聯網，若是路由器接入互聯網，則自動氮吹儀能夠接受遠程控制和局域網控制；若是路由器未接入互聯網，則設備只接受局域網控制。

 

圖5.氮吹儀APP功能圖

 

 

 

5.結語

原型機採用機智雲Git3.0硬件開發套裝和貼片式電容傳感器，基本能實現自動濃縮功能。採用的貼片式電容傳感器，抗干擾能力差，原型機無加熱裝置，濃縮過程管壁有冷凝水產生，靜態測試判斷終點1mL之內，動態測試效果不佳，下一步考慮採用機器視覺進行液位控制[5,6]，增長加熱裝置和尾氣回收裝置，並計劃對機智雲Git 3.0硬件和軟件進行二次開發。

 

 

 

參考文獻：

[1]於洪帥. 自動液位跟蹤氮氣吹掃濃縮儀的研製創新[A]. 中國化學會.第七屆全國儀器分析及樣品預處理學術研討會論文集[C].中國化學會:,2013:2.

[2]氮吹儀的原理及應用[J].食品安全導刊,2010(12):54-55.

[3]GoKit 3 硬件手冊： http://docs.gizwits.com/zh-cn/deviceDev/Gokit3/GoKit3%E7%A1%AC%E4%BB%B6%E6%89%8B%E5%86%8C.html

[4]機智雲平臺概述： http://docs.gizwits.com/zh-cn/overview/overview.html

[5]黃志煌.基於攝像技術的液位自動識別系統的研究[J].計量與測試技術,2014,41(07):4-5+9.

[6]黃玲,張葉林,胡波,馬兆敏.基於機器視覺的透明瓶裝液體液位自動檢測[J].自動化與儀表,2012,27(02):57-60.