基于物联网的自动氮吹仪

知识分子

基于物联网的自动氮吹仪

摘要：介绍基于物联网的自动氮吹仪的工作原理，硬件组成和软件构架，以及原型机。

关键词：物联网;氮吹仪;原型机

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

氮气吹干仪（Termovap Sample Concentrator），简称氮吹仪。通常是将氮气吹入加热样品的表面，使溶剂迅速分离，实现样品无氧浓缩。氮吹仪操作简便，可以同时处理多个样品，广泛应用于农残分析、食品、环境监测等行业的样品制备中[1,2]。物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。本文介绍基于物联网的自动氮吹仪，采用物联网智能硬件自助开发及物联网云服务平台，具体为机智云gokit 3.0开发套件[3]。通过物联网平台机智云提供的开发套件，把氮吹仪的液位传感器与互联网或局域网连接起来，以实现氮吹仪自动化控制和智能化管理。

1.工作原理

自动氮吹仪的工作原理图（图1）。高压氮气通过双漩涡装置，产生双漩涡气流，漩涡气流作用在试管内样品的表面，溶剂蒸发上升在试管中部经顶端排出，浓缩过程通过液位传感器实现自动控制。氮气流量0.6-1.2L/min,经过双漩涡装置在浓缩管内形成双螺旋气流，根据目标物和氮吹时间选择不同的流量，同时根据流量调节气流吹向溶剂表面的切入角，使溶剂均匀蒸发，同时均匀冲洗管壁，减少目标物损失，提高目标物回收率。

图1 工作原理示意图

2.硬件组成

自动氮吹仪硬件组成如图2所示：主要包括主控制器、流量控制模块、双漩涡装置、液位传感器模块、电源模块和APP终端。流量控制模块负责控制氮气的压力和流量。双漩涡装置负责将氮气转换成双漩涡气流，控制吹向液面的切入角。液位传感器负责向主控器传送液位信号。电源模块主要负责电压转换和电流驱动。APP终端负责软件操作，显示氮吹仪状态。主控器采用机智云GoKit 3，底层为arduino平台，通过esp8266接入网络。主控器根据APP终端的指令和液位传感器模块的信号对流量控制模块进行控制，并将流量控制模块和传感器模块的状态，发送到APP终端显示。

图2 硬件组成结构图

3.软件构架

自动氮吹仪软件构架如图3所示：主要包括设备端和客户端[4]。设备端基于Arduino平台，网络通讯采用机智云的GAgent，MCU代码自动生成；客户端采用机智云APP开源框架，封装Android SDK。设备端和客户端通过机智云进行远程交互或直接通过局域网进行交互。

图3.软件构架图

4.原型机

原型机开发流程如图4所示：首先注册一个机智云开发者账号，在机智云开发者中心点击“创建新产品”后输入自动氮吹仪，以及选择自动氮吹仪接入方案为MCU Arduino，完成“新产品”的创建。接着创建自动氮吹仪的数据点，数据点是一个产品的重要属性，明确产品功能是产品智能化的第一步，自动氮吹仪定义了继电器控制和传感器状态两个数据点。之后根据创建的数据点自动生成基于Arduino开发的MCU协议。

设备端根据自动生成的协议，加入对传感器状态的读入和对继电器的控制，即可完成智能设备的开发。智能硬件上嵌入写好机智云连接协议GAgent的连网模块，即可通过机智云平台实现设备连网及智能化，原型机连网模块采用Wifi联网方案接入。应用端，氮吹仪APP内集成机智云提供的APP SDK，可以连接机智云平台实现APP通过云端控制智能设备。

产品调试过程中，开发调试的设备将连接机智云Sandbox服务器（测试服务器），该服务器为开发者提供了完整的测试环境。虚拟设备是机智云云端可自动生成的一个仿真智能硬件，可模拟要开发或正在开发的智能硬件，来进行云端设备控制、手机APP控制、上报数据等需求。首先通过虚拟设备来测试产品的功能是否可行，APP软件功能是否完整。设备开发和应用开发可以独立与同时进行，最后将设备与应用统一调试，形成原型机。

图4. 原型机开发流程

硬件方面，原型机主控器采用物联网硬件机智云Git 3.0模块，液位传感器采用电容传感，一种是贴片电容传感器，一种是柱式电容传感，静态测试后采用贴片式电容传感器。贴片式电容传感器型号为XXC-Y26-V，输入为5-24V，输出为高低电平；流量控制采用节流阀和电磁阀，节流阀调节流量大小，电磁阀结合继电器驱动模块控制气路打开与闭合。继电器空气模块采用光电隔离，避免主控器与电磁阀之间的电信号的相互影响。静态测试采用空压机提供压缩气体。双漩涡装置采用6mm快速鲁尔接头配19g不锈钢针头，180度双向配置。所有零部件和机加工均来自互联网。

软件方面，原型机的氮吹仪APP采用机智云开源框架，生成相应的APK安装文件。氮吹仪APP功能如图5所示，包括配置入网，设备绑定与登录，设备搜索，设备远程控制和局域控制，设备状态更新显示。将Arduino按键配置入网修改为默认Wifi模式自动入网，自动氮吹仪首次开机，ESP8266通过路由器与氮吹APP建立连接，这样APP的ID和氮吹仪的设备ID就互联互通，只需一次配置，就可以实现设备发现与绑定，只要设备开机，网络通畅，氮吹仪APP就可以发现设备，并发送相关指令与设备进行互动。本地和远程控制切换只在于设备端连接的路由器是否接入互联网，如果路由器接入互联网，则自动氮吹仪可以接受远程控制和局域网控制；如果路由器未接入互联网，则设备只接受局域网控制。

图5.氮吹仪APP功能图

5.结语

原型机采用机智云Git3.0硬件开发套装和贴片式电容传感器，基本能实现自动浓缩功能。采用的贴片式电容传感器，抗干扰能力差，原型机无加热装置，浓缩过程管壁有冷凝水产生，静态测试判断终点1mL以内，动态测试效果不佳，下一步考虑采用机器视觉进行液位控制[5,6]，增加加热装置和尾气回收装置，并计划对机智云Git 3.0硬件和软件进行二次开发。

参考文献：

[1]于洪帅. 自动液位跟踪氮气吹扫浓缩仪的研制创新[A]. 中国化学会.第七届全国仪器分析及样品预处理学术研讨会论文集[C].中国化学会:,2013:2.

[2]氮吹仪的原理及应用[J].食品安全导刊,2010(12):54-55.

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

[4]机智云平台概述：http://docs.gizwits.com/zh-cn/overview/overview.html

[5]黄志煌.基于摄像技术的液位自动识别系统的研究[J].计量与测试技术,2014,41(07):4-5+9.

[6]黄玲,张叶林,胡波,马兆敏.基于机器视觉的透明瓶装液体液位自动检测[J].自动化与仪表,2012,27(02):57-60.