針對現有氦質譜檢漏系統的技術缺陷，提出了一種基于物聯網技術的氦質譜檢漏系統的設計與實現方案。該系統綜合了嵌入式與ZigBee、WiFi等物聯網技術，由主控模塊、采集模塊、執行模塊等組成；主控模塊可實時整合氦質譜檢漏儀與采集模塊的數據信息，控制執行模塊自動完成檢漏流程，并利用灰度算法預測檢漏信號的穩定時機，提高了檢漏效率，測試結果驗證了該方案的有效性。
中文引用格式： 付良瑞，朱寶良，鄧金球，等. 一種基于物聯網技術的氦質譜檢漏系統[J].電子技術應用，2019，45(5)：89-92.
英文引用格式： Fu Liangrui，Zhu Baoliang，Deng Jinqiu，et al. A helium mass-spectrometry leak detection system based on Internet of things[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(5)：89-92.
0 引言
氦質譜檢漏技術，用于內部充壓容器和管路的無損檢測，一直是國防工業領域的重要檢測手段，具備自動化功能的充氦檢漏系統是該領域的研制熱點之一。現有的氦質譜檢漏系統普遍存在以下問題：(1)利用檢漏儀監測被檢部位氦分壓信號變化情況時，一般采用人工現場觀測記錄的方式，對于某些大體積容器，氦信號的穩定周期較長，候檢時間長，不利于人力資源的合理分配；(2)系統核心控制器多采用PLC(Programmable Logic Controller)，控制器與當前較流行的物理接口兼容性不強，布線繁瑣，內存資源和編程模式有限，算法實現與交互方式不夠靈活。
為克服上述現有技術缺陷，本系統擬提出一種基于物聯網技術的氦質譜檢漏系統設計與實現方案。該系統由主控模塊、信息采集模塊、執行模塊組成，各模塊間采用無線方式進行通信，由主控模塊根據采集到的信息對檢漏流程執行步驟進行合理控制，并通過灰度算法在現場快速預測反應時間，提高候檢效率，最后，將測量數據備份至云平臺，便于后期的查詢和分析，從而實現了氦質譜檢漏過程的便捷化、自動化、智能化。
1 系統方案
1.1 背景原理
如圖1所示，氦質譜檢漏技術[1]需要首先將一定壓強的氦氣充入被檢工件，被檢工件外面是具有一定真空度要求的真空箱，真空箱與氦質譜檢漏儀的檢漏口相接。若被檢工件有漏，則漏入真空箱的氦分壓可通過氦質譜檢漏儀測出，滿足公式[2]：
式中PHe為被檢工件的氦分壓，單位為Pa；SHe為真空系統對氦的抽速，單位為m3/s；QHe為單位時間內進入檢漏儀質譜室的氦氣量，即漏孔的漏率，單位為Pa·m3/s；V為被檢工件的體積。
從式(1)可看出，真空度變化速度與系統抽速和容積有關。式(1)中令τ=V/SHe為系統反應時間常數。當t到達1倍時間常數（t=τ）時，真空度為初始值的36.8%；當到達5倍反應時間后，氦分壓信號PHe下降到初始值的1%，認為檢漏信號達到穩定狀態，可以讀取工件漏率,根據漏率判定工件的密封性。
1.2 灰度預測算法
灰度預測算法[3]非常適合處理指數類型的數據，符合氦分壓PHe的反應規律，并只需要較少的數據樣本就能進行預測運算，能夠較快地得到反應時間常數τ，以5τ的時間點作為漏率讀取時機，算法自身的疊加遞減運算濾除了信號噪聲，可以提高預測精度，原理如下：
設有原始序列：x(0)=(x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(n))，x(1)(k)表示數列x(0)對應前k項數據的累加：
1.3 氦檢漏系統整體設計
本系統共設計三類信息采集節點：涉及壓力、真空度、氦分壓三個參數；兩類執行機構：電磁閥和羅茨泵，分別靠繼電器和接觸器控制，羅茨泵接觸器處安裝有三相保護。主控板上的協調器與采集節點和執行機構采用ZigBee樹狀網絡通信，利用無線網卡的AP熱點模式配合工控機接入，實現更復雜的上位機程序，也可通過無線路由方式將數據轉存至云平臺，以備遠程調用和分析。
采集節點的數值會周期性上傳至協調器，經SPI接口匯總到主控制器進行分析處理和故障報警，按照作業流程和時機，主控制器會向執行機構發送命令，執行機構根據約定的數據幀格式解析命令，完成電磁閥與羅茨泵的聯動，最終，主控制器執行灰度算法預測氦分壓穩定時機，擇機完成工件漏率的讀取。同時，主控制模塊還能實現數據的本地SD卡備份，通過液晶屏進行簡單的參數設置和曲線繪制。具體結構如圖2所示。
2 系統硬件設計
2.1 主控模塊硬件設計
主控模塊采用ARM Linux架構，芯片采用S5PV210，32 KB一級緩存，512 KB二級緩存，主頻高達1 GHz，可勝任一般的算法需求，外設豐富，選用Linux2.6.35.7內核版本開發。通過SPI接口控制ZigBee協調器，完成信息的采集和命令下發，氦分壓值及預測后的穩定反應時間會通過液晶屏實時顯示，歷史數據存儲到本地SD卡中，USB無線網卡完成數據的網絡上傳與共享。具體硬件設計如圖3所示。
2.2 信息采集節點硬件設計
壓力采集節點的壓力變送器選用麥克MPM4780，RS485接口，量程10 MPa，通過MAX485接入ZigBee模塊，模塊芯片CC2530利用IO口P1_4控制MAX485的收發工作，當UART發送完成產生中斷時，P1_4需延時3 ms(9 600波特率下)再輸出低電平，等待緩沖器內的數據發送完畢。
氦質譜檢漏儀為萊寶公司的L200型，和真空度計都具有RS232接口，通過常見的MAX232芯片接入ZigBee模塊。
2.3 執行機構硬件設計
采用驅動繼電器控制三相交流接觸器線圈的吸合，達到控制羅茨泵啟停的目的，如圖4所示。繼電器由ULN2003A驅動，使用12 V鋰電池供電，控制信號由CC2530的GPIO口經反相器74HC14接入ULN2003A，電磁閥的控制與接觸器線圈類似。
2.4 電源模塊硬件設計
如圖5所示，普通220 V交流電源經過220 V/15 V的變壓器之后變為15 V的交流電，再經過KBP307G整流橋進行整流，穩壓之后變成了穩定的直流電輸出，由開關型穩壓芯片RT7272將直流電壓降壓成5 V，最后通過低壓差線性穩壓電源AMS1086-3.3為主控模塊供電。