CN115243118A - 基于Zigbee的测量测试仪器检具测控与信息管理系统及方法 - Google Patents

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潘兆义
张权明
陈晓航
王立新
张乃方
罗小涛
王晶龙
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Abstract

一种测量测试仪器检具测控与信息管理系统及方法，涉及计量科学与测量技术领域，该系统组成结构包括检具仪器应用层和测控与信息管理层。检具仪器应用层包括测控主站、多个仪器检具测控从站、应用端等。测控与信息管理层包括仪器检具数据管理系统、数据分析系统以及仪器检具维护系统。获取现场测量仪器的使用时长数据，基于设备的应用强度统计设备的服役周期；获取现场测量仪器使用数量，基于设备的使用规模分析仪器检具的应用效率；获取工业现场的应用环境数据，基于Zigbee网络协议设计合理的网络结构。同时，根据实际的组网需要，设计了测控主站与从站间的无线通讯模块。

Description

基于Zigbee的测量测试仪器检具测控与信息管理系统及方法
技术领域
本发明涉及基于Zigbee的测量测试仪器检具测控与信息管理系统及方法，属于计量科学与测量技术领域。
背景技术
在制造企业厂内，各种量具检具和仪器设备分布较分散。为监测生产现场和生产过程各个量具检具和仪器设备的运行参数、运行状态和测量数据，需要建立一套测量测试仪器检具测控与管理系统。这样一个测控系统由现场检测、数据采集和处理、数据通讯和中央测控等部分组成，现场需要对模拟量、开关量和数据流进行测控，主要模拟量有流量信号、物(液)位信号、压力信号、阀开度信号等；主要开关量信号有合格判定信号和质量状态信号、仪器设备启动、停止、运行、到位、故障及气源工作状态等；主要的数据流有特定测量文件流、数据结构流和传输协议流等。同时，现有大多数测量控系统由分布式I/O完成检测与控制，现场设备与中央监控室之间的数据交换尚未形成有效的网络连接。一个工厂包括多个现场测控设备，现场计量与测量信息量大，无法形成检具和仪器设备的有效管理，并且仪器之间采用有线连接，难以维些都将制约现代工厂的构建和设备管理工作。
物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集需要监控、连接、互动的物体、过程及各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。因此，针对现有测量测试仪器检具测控与管理中存在的严重不足及工作效率低、数据维护性差的问题，提出基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统解决方案，可有效改善制造工厂对产品质量的检测与监测，并未测量测试仪器检具测控与信息管理提供可靠的技术保障。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于Zigbee的测量测试仪器检具测控与信息管理系统及方法，对不同的测量测试仪器检具信息进行标准化的管理，避免设备信息冗余；同时利用ZigBee网络节点优先级管理，避免信息多组信息的交叉覆盖。
本发明的技术解决方案是：基于Zigbee的测量测试仪器检具测控与信息管理系统，包括仪器检具测控主站以及若干仪器检具测控从站；所述仪器检具测控主站以及若干仪器检具测控从站均包括基于Zigbee协议的无线通讯模块；
所述仪器检具测控从站采集工业现场仪器检验设备中多个检测点的数据，将监测点数据转换为数字量后，通过所述无线通讯模块输出至仪器检具测控主站；同时，仪器检具测控从站控制各个部件的电源以及各数据采集点设备的工作状态和测量参数，并根据所述仪器工作状态和测量参数控制各仪器设备的测量数据类型与数量；
所述仪器检具测控主站接收数字量的检测点的数据，实现对各个监测点状态的观察，同时作出判断，并发出指导性控制指令，提示控制测量参数偏离、加工设备的处理偏离，最终实现智慧工厂质量检测与监测的可靠实施。
进一步地，所述仪器检具测控主站还包括中央处理单元、监视器；
所述中央处理单元用于将前端仪器检具测控从站通过Zigbee汇聚上来的数据进行分析解读处理，将处理后的数据按照预设自适应算法进行拆解整合，再规范为统一的数据格式并将其存储到数据库；并可将数据按照统一的数据格式推送给需要的子单元；
所述监视器用于对系统内各设备运行状态进行检测，所述设备运行状态包括设备运行启停状态、故障状态检测，并每天生成日志文件存储于中央处理单元。
进一步地，所述仪器检具测控从站还包括数据采集处理单元、控制单元、供电控制单元、设备测控单元、从站管理器；
所述数据采集处理单元用于对前端采集来的模拟量、数字量、开关量以及计量仪器设备发送的数据传输信号进行预处理和分析并传输至中央处理单元；
所述控制单元用于进行仪器检具测控从站的联动机构控制，包括关节机器人控制、转台控制、笛卡尔坐标轴控制，实现前端仪器检具测控从站数据采集自动化；
所述供电控制单元用于所有设备能源输入；
所述设备测控单元用于对被测物体进行参数检测；
所述从站管理器用于接收中央处理单元的回传信号，并根据所述回传信号进行各独立测量子站之间协调工作。
进一步地，还包括远程控制系统；所述仪器检具测控主站与远程控制系统连接，实现远程对质量处理过程进行监测和处理。
进一步地，所述无线通讯模块包括CPU模块、射频模块和外部信号接口；
所述CPU模块包括CC2430芯片及其辅助电路，用于Zigbee协议解析并将2.4GHz无线频段内相应频道切换、同频道，保证无线数据传输的可靠性及保密性；
所述射频模块包括功率放大器和低噪声放大器，用于提高2.4GHz无线频段内信号的增强及优化；
所述外部信号接口为可插拔的插针，实现与外部具体感知单元的接口处理，以及向上级模块发送上层命令，接收节点请求和数据，实现数据融合、请求仲裁和路由选择。
进一步地，所述外部信号接口中，包括0～20mA，4～20mA，0～5V，-5V～+5V， I/Oin，I/O out，RS232/RS485，TTL多种通用接口电路。
进一步地，所述检测点的数据包括流量、温度、液位、阀状态、压力信号、合格判定信号、质量状态信号、仪器设备启动、停止、运行、到位、故障及气源工作状态以及特定测量文件流、数据结构流和传输协议流。
进一步地，仪器检具测控主站以及若干仪器检具测控从站通过对应的无线通信模块相互连接组成ZigBee网络；所述ZigBee网络包括若干节点，所述检具仪器设备与所述若干节点相互对应；所述节点包括路由器节点以及终端节点；终端节点与路由器节点相互连接形成基于ZigBee物联网协议的多层网络结构。
基于Zigbee的测量测试仪器检具测控与信息管理方法，包括：
仪器检具测控从站采集工业现场仪器检验设备中多个检测点的数据，将监测点数据转换为数字量后，通过所述无线通讯模块输出至仪器检具测控主站；同时，仪器检具测控从站控制各个部件的电源以及各数据采集点设备的工作状态和测量参数，并根据所述仪器工作状态和测量参数控制各仪器设备的测量数据类型与数量；
仪器检具测控主站接收数字量的检测点的数据，实现对各个监测点状态的观察，同时作出判断，并发出指导性控制指令，提示控制测量参数偏离、加工设备的处理偏离，最终实现智慧工厂质量检测与监测的可靠实施。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述基于Zigbee的测量测试仪器检具测控与信息管理方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.本发明基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统，由检具仪器应用层和测控与信息管理层组成。检具仪器应用层通过检测检具仪器节点后组网并实现信息互通，根据信息内容分类分级管理，将设备工作信息按照一定的优先级转换为无线信号进入ZigBee网络。将接收到的无线信号按照数据编码格式转入测控与信息管理层，同时将标准数据存入检具与仪器信息数据库对设备进行信息管理。
2.本发明基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统，对不同的测量测试仪器检具信息进行标准化的管理，避免设备信息冗余；同时利用ZigBee网络节点优先级管理，避免信息多组信息的交叉覆盖。
3.本发明基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统，所构建的ZigBee网络线型为发散的网络拓扑，可以根据实际的组网需要，设计合理的网络结构；基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统所述无线通讯模块，可实时监控质量测控过程中的各项参数，及时对处理过程做出调整，达到闭环生产的目的，实现质量控制的可靠实施。
4.本发明基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统，系统采用多跳式路由通信，网络容量大，传输物理空间大。具有成本低，功耗低，时延短等的优点。
附图说明
图1是现有技术中的计量仪器检具测控系统简图。
图2是本发明的基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统。
图3是基于ZigBee物联网协议的发散型网络拓扑结构
图4是本发明的通讯模块的电路图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的基于Zigbee的测量测试仪器检具测控与信息管理系统及方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～4所示)：包括仪器检具测控主站以及若干仪器检具测控从站；所述仪器检具测控主站以及若干仪器检具测控从站均包括基于Zigbee协议的无线通讯模块；所述仪器检具测控从站采集工业现场仪器检验设备中多个检测点的数据，将监测点数据转换为数字量后，通过所述无线通讯模块输出至仪器检具测控主站；同时，仪器检具测控从站控制各个部件的电源以及各数据采集点设备的工作状态和测量参数，并根据所述仪器工作状态和测量参数控制各仪器设备的测量数据类型与数量；所述仪器检具测控主站接收数字量的检测点的数据，实现对各个监测点状态的观察，同时作出判断，并发出指导性控制指令，提示控制测量参数偏离、加工设备的处理偏离，最终实现智慧工厂质量检测与监测的可靠实施。
在本申请实施例提供的方案中，具体包括检具仪器应用层和测控与信息管理层。检具仪器应用层包括多个仪器检具测控从站、仪器、应用端等。测控与信息管理层包括测控主站、检具与仪器信息数据库、数据分析与信息管理、分析与应用终端、防火墙和网关等。
所述检具仪器应用层采集工业现场仪器检验设备中多个检测点的数据，将上述数据转换为数字量后通过基于Zigbee协议的两个无线通讯模块，输出至测控与信息管理层。同时，检具仪器应用层通过供电控制单元控制测控从站中各个部件的电源，以及设备测控单元检测从站中各数据采集点设备的工作状态和测量参数，仪器检具测控从站根据所述仪器工作状态和测量参数控制各仪器设备的测量数据类型与数量，如其工作温度/湿度、几何量参数等。
所述检具仪器应用层可根据实际的组网需要，根据基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统，实时监控工厂质量检验过程中的各项参数，及时对测量测试仪器检具管理过程中的异常做出调整，达到可靠、闭环管理的效果。
所述测控与信息管理层中数据信息特征包括获取现场测量仪器的使用时长数据，基于设备的应用强度统计设备的服役周期；获取现场测量仪器使用数量，基于设备的使用规模分析仪器检具的应用效率；获取工业现场的应用环境数据，基于zigbee网络协议设计合理的网络结构。
所述基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统测控与信息管理层可实现对各个监测点状态的观察；中央处理单元接收所述多个监测点的数据后，作出判断，并发出指导性控制指令，提示控制测量参数偏离，提示加工设备的处理偏离，最终实现智慧工厂质量检测与监测等技术的可靠实施。
所述检具仪器应用层中测控主站和测控从站的无线通讯模块主要分为 CPU部分、射频部分和外部信号接口三个部分。CPU部分由CC2430及其辅助电路组成；射频部分主要由功率放大器和低噪声放大器组成；外部信号接口，选择可插拔、间距为1.27mm的插针作为接插件。
进一步，基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统还包括远程控制系统，所述测控主站还和远程控制系统连接，远程对质量处理过程进行监测和处理；
进一步，在一种可能实现的方式中，基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统多个测控从站测试每个检测点的多个数据：流量、温度、液位、阀状态、压力信号、合格判定信号、质量状态信号、仪器设备启动、停止、运行、到位、故障及气源工作状态以及特定测量文件流、数据结构流和传输协议流等。
进一步，基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统所述无线通讯模块分为CPU部分、射频部分和外部信号接口三个部分；CPU 部分由CC2430及其辅助电路组成；射频部分主要由功率放大器和低噪声放大器组成；外部信号接口，选择可插拔、间距为1.27mm的插针作为接插件。
在一种可能实现的方式中，基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统包括可对每一相关的设备进行关联与管理，若干所述检具仪器通过对应的所述通信模块相互连接组网；所述ZigBee网络包括若干节点，所述检具仪器设备与所述若干节点相互对应；所述节点包括路由器节点以及终端节点；终端节点与路由器节点相互连接形成基于ZigBee物联网协议的多层网络结构。
进一步，在一种可能实现的方式中，为实现基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统的信息管理，本发明还提供一种基于 ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具信息数据标准，包括设备编码格式、工作状态信息、维护信息以及设备预维护提示。
在本申请实施例所提供的方案中，如图1所示，一种基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与管理系统总体数据交互由中央控制室通过数据总线与多个现场设备进行信息互通。
如图2所示，本发明一种基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与管理系统，该系统组成结构包括测控与信息管理层、检具仪器应用层。检具仪器应用层包括附属测控主站、多个仪器检具测控从站、应用端等。测控与信息管理层包括仪器检具数据管理系统、数据分析系统以及仪器检具维护系统。其信息交互的数据信息特征包括获取现场测量仪器的使用时长数据，基于设备的应用强度统计设备的服役周期；获取现场测量仪器使用数量，基于设备的使用规模分析仪器检具的应用效率；获取工业现场的应用环境数据，基于zigbee 网络协议设计合理的网络结构。
如图3所示，本发明的检具仪器应用层测控系统结构主要由以下几个部分组成，测控主站1、多个测控从站2、远程控制系统3。测控主站1包括以下模块：无线通讯模块、中央处理单元、监视器；多个测控从站2分别包括以下模块：无线通讯单元、数据采集和处理单元、控制单元、供电控制单元、设备测控单元、从站管理器。所述测控主站1还和远程控制系统3连接，远程对质量数据处理过程进行监测和处理。如图3所示，本发明中有多个测控从站2，其可以测试多个检测点的多个数据，如流量、温度、液位、阀状态、压力信号、合格判定信号、质量状态信号、仪器设备启动、停止、运行、到位、故障及气源工作状态以及特定测量文件流、数据结构流和传输协议流等参数。
如图4所示，本发明中的测控主站1和测控从站2的无线通讯模块电路结构简图。该无线通讯模块主要分为CPU部分、射频部分和外部信号接口三个部分。图4所示是CPU部分的主要电路，它由CC2430及其辅助电路组成；射频部分主要由功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)组成；外部信号接口，在设计上为了通用，接插件的选择也至关重要，为了方便模块的替换，选择可插拔、间距为1.27mm的插针作为接插件。它对下主要负责与传感器等外部具体感知单元的接口处理；对上它负责发送上层命令(如查询、分配ID地址等)，接收节点请求和数据，具有数据融合、请求仲裁和路由选择功能，是无线传感器网络中最重要的一部分。
在外部信号接口部分，针对各类传感器及其仪表进行分析，设计了0～20mA， 4～20mA，0～5V，-5V～+5V，I/O in，I/O out，RS232/RS485，TTL等多种通用接口电路，以满足各类传感器及其仪表不同形式的接口要求，努力做到通用性。
本发明在现场设备和中央监控室间采用了无线通讯方式，具有快速部署、可靠性好、抗干扰能力强、维护成本低等优点。基于ZigBee物联网协议的测量测试仪器检具测控与信息管理系统可实现对各个监测点状态的观察；中央处理单元接收所述多个监测点的数据后，作出判断，并发出指导性控制指令，提示控制测量参数偏离，提示加工设备的处理偏离，最终实现智慧工厂质量检测与监测等技术的可靠实施。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种测量测试仪器检具测控与信息管理系统，其特征在于：包括仪器检具测控主站以及若干仪器检具测控从站；所述仪器检具测控主站以及若干仪器检具测控从站均包括基于Zigbee协议的无线通讯模块；
所述仪器检具测控从站采集工业现场仪器检验设备中多个检测点的数据，将监测点数据转换为数字量后，通过所述无线通讯模块输出至仪器检具测控主站；同时，仪器检具测控从站控制各个部件的电源以及各数据采集点设备的工作状态和测量参数，并根据所述仪器工作状态和测量参数控制各仪器设备的测量数据类型与数量；
所述仪器检具测控主站接收数字量的检测点的数据，实现对各个监测点状态的观察，同时作出判断，并发出指导性控制指令，提示控制测量参数偏离、加工设备的处理偏离，最终实现智慧工厂质量检测与监测的可靠实施。
2.根据权利要求1所述的一种测量测试仪器检具测控与信息管理系统，其特征在于：所述仪器检具测控主站还包括中央处理单元、监视器；
所述中央处理单元用于将前端仪器检具测控从站通过Zigbee汇聚上来的数据进行分析解读处理，将处理后的数据按照预设自适应算法进行拆解整合，再规范为统一的数据格式并将其存储到数据库；并可将数据按照统一的数据格式推送给需要的子单元；
所述监视器用于对系统内各设备运行状态进行检测，所述设备运行状态包括设备运行启停状态、故障状态检测，并每天生成日志文件存储于中央处理单元。
3.根据权利要求1所述的一种测量测试仪器检具测控与信息管理系统，其特征在于：所述仪器检具测控从站还包括数据采集处理单元、控制单元、供电控制单元、设备测控单元、从站管理器；
所述数据采集处理单元用于对前端采集来的模拟量、数字量、开关量以及计量仪器设备发送的数据传输信号进行预处理和分析并传输至中央处理单元；
所述控制单元用于进行仪器检具测控从站的联动机构控制，包括关节机器人控制、转台控制、笛卡尔坐标轴控制，实现前端仪器检具测控从站数据采集自动化；
所述供电控制单元用于所有设备能源输入；
所述设备测控单元用于对被测物体进行参数检测；
所述从站管理器用于接收中央处理单元的回传信号，并根据所述回传信号进行各独立测量子站之间协调工作。
4.根据权利要求1所述的一种测量测试仪器检具测控与信息管理系统，其特征在于，还包括远程控制系统；所述仪器检具测控主站与远程控制系统连接，实现远程对质量处理过程进行监测和处理。
5.根据权利要求1所述的一种测量测试仪器检具测控与信息管理系统，其特征在于：所述无线通讯模块包括CPU模块、射频模块和外部信号接口；
所述CPU模块包括CC2430芯片及其辅助电路，用于Zigbee协议解析并将2.4GHz无线频段内相应频道切换、同频道，保证无线数据传输的可靠性及保密性；
所述射频模块包括功率放大器和低噪声放大器，用于提高2.4GHz无线频段内信号的增强及优化；
所述外部信号接口为可插拔的插针，实现与外部具体感知单元的接口处理，以及向上级模块发送上层命令，接收节点请求和数据，实现数据融合、请求仲裁和路由选择。
6.根据权利要求5所述的一种测量测试仪器检具测控与信息管理系统，其特征在于：所述外部信号接口中，包括0～20mA，4～20mA，0～5V，-5V～+5V，I/O in，I/O out，RS232/RS485，TTL多种通用接口电路。
7.根据权利要求1所述的一种测量测试仪器检具测控与信息管理系统，其特征在于：所述检测点的数据包括流量、温度、液位、阀状态、压力信号、合格判定信号、质量状态信号、仪器设备启动、停止、运行、到位、故障及气源工作状态以及特定测量文件流、数据结构流和传输协议流。
8.根据权利要求1所述的一种测量测试仪器检具测控与信息管理系统，其特征在于，仪器检具测控主站以及若干仪器检具测控从站通过对应的无线通信模块相互连接组成ZigBee网络；所述ZigBee网络包括若干节点，所述检具仪器设备与所述若干节点相互对应；所述节点包括路由器节点以及终端节点；终端节点与路由器节点相互连接形成基于ZigBee物联网协议的多层网络结构。
9.一种测量测试仪器检具测控与信息管理方法，其特征在于，包括：
仪器检具测控从站采集工业现场仪器检验设备中多个检测点的数据，将监测点数据转换为数字量后，通过所述无线通讯模块输出至仪器检具测控主站；同时，仪器检具测控从站控制各个部件的电源以及各数据采集点设备的工作状态和测量参数，并根据所述仪器工作状态和测量参数控制各仪器设备的测量数据类型与数量；
仪器检具测控主站接收数字量的检测点的数据，实现对各个监测点状态的观察，同时作出判断，并发出指导性控制指令，提示控制测量参数偏离、加工设备的处理偏离，最终实现智慧工厂质量检测与监测的可靠实施。
10.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现权利要求9所述方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116929436A (zh) * 2023-09-13 2023-10-24 宁德时代新能源科技股份有限公司 测试系统及方法

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CN116929436A (zh) * 2023-09-13 2023-10-24 宁德时代新能源科技股份有限公司 测试系统及方法

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