基于LabVIEW的無線網絡測控系統設計

樊英平，吳　凱，張庭瑜，梁　彬

(1.中國人民解放軍69079部隊, 烏魯木齊　830013; 2. 中國人民解放軍474醫院,

烏魯木齊　830013; 3.空軍招飛局選拔中心, 蘭州　730020)

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基于LabVIEW的無線網絡測控系統設計

樊英平1，吳凱2，張庭瑜3，梁彬1

(1.中國人民解放軍69079部隊, 烏魯木齊830013; 2. 中國人民解放軍474醫院,

烏魯木齊830013; 3.空軍招飛局選拔中心, 蘭州730020)

摘要:混沌序列用于擴頻通信系統，具有碼元豐富、保密性好的優點。理論分析了Logistic 混沌系統的定義、敏感性、李雅普諾夫指數以及相關性之后，采用Logistic 混沌序列進行圖像加 密，并通過仿真和FPGA 硬件實現驗證了算法的可行性。結果表明該加密系統抗攻擊性強，并且 能夠無失真的恢復原始圖像。此外，本文提出的FPGA 硬件實現系統具有體積小、功耗低、圖像保 密性好的特性。

關鍵詞:Logistic 混沌映射; 圖像加密系統; FPGA

0引言

目前，大部分的測量與控制系統是基于靜態使用和有線通信實現的[1-2]，對于在野外條件下的遠距離測控，存在笨重、 展開困難、 接口眾多、 可靠性差等缺點。 雖然也有個別無線測控系統[3]，但由于這些系統采用近距離無線模塊實現，一旦距離超過百米，數據傳輸的可靠性和數據的安全性都不能保證。 鑒于此，本文提出并設計了一個在野外動態條件下能快速展開和部署的系統平臺，該系統平臺可在短時間內，利用傳感器或測量儀器對一定范圍內的設備進行準確、 可靠地測量與控制，并保證測量數據的安全。

1硬件設計

硬件部分總體框圖見圖1。

圖1無線網絡測控系統硬件結構圖

從圖1中可以看出，硬件部分主要由無線數據采集模塊、 終端控制模塊(含遠程無線通信模塊)以及測控中心三部分組成。 其中，無線數據采集模塊用來采集信號(模擬、 數字及元器件參數)，并將這些數據發送到終端控制模塊。 終端控制模塊起橋接作用，作為各個采集模塊的匯聚中心，將測控中心的命令傳送到無線數據采集模塊，將分散的各個無線數據采集模塊的數據匯總后，發送到測控中心。 測控中心是整個平臺的控制中心，是人機交互的部分，負責發送采集命令和顯示、 分析、 存儲采集數據。

1.1無線數據采集模塊

無線數據采集模塊的結構靈活可變，可分為兩種類型： 一種是由測量儀器、 WIFI模塊(含電池)組成； 一種是由傳感器(電壓、 電流、 壓力、 溫度等)、 MCU、 WIFI模塊組成。 對于前一種結構，本文給出示波器與WIFI組成的采集模塊方案； 對于后一種結構，本文給出電壓采集的模塊方案。 兩種方案中，WIFI模塊都工作于TCP client模式。

1.2終端控制模塊

終端控制模塊由遠程通信模塊、 路由器、 嵌入式工控機、 WIFI模塊等組成。 遠程無線通信模塊與測控中心的遠程無線通信模塊共同組成遠程無線網絡，保障測量數據遠距離傳輸。 模塊可實現點對點、 點對多點無線連接，滿足3～20 km的無線傳輸要求。

路由器可以將多個遠程通信模塊接入測控網絡，從而組成更大的測控平臺。

嵌入式工控機具有網絡接口和串口，能將遠距離無線網絡與近距離WIFI模塊連接在一起，將從近距離無線模塊得到的測量數據通過遠程無線通信模塊發送到測控中心。

WIFI模塊與數據采集模塊的工作模式不同，工作在TCP server模式，與各個無線數據采集終端(TCP client模式)進行通信, 起到了匯聚作用。

1.3測控中心

測控中心由工控機、 路由器、 遠程無線通信模塊和顯示器等組成，是軟件的載體。 工控機用來運行軟件； 路由器將多個遠程無線通信模塊接入網絡； 顯示器用于人機交互。

2軟件設計

軟件設計是系統功能實現的關鍵技術點，包含對示波器、 數字表等儀器的編程控制以及加密模塊的算法設計，用LabVIEW編寫，系統主界面見圖2。 圖2中，左邊是示波器區，含有波形顯示、 狀態顯示和控制命令輸入控件； 右邊是數字表區，含有測量值顯示、 測量類型、 測量量程及對應的各種狀態。

軟件按功能可分為示波器控制模塊、 數字表控制模塊和加解密模塊三個模塊。

圖2系統主界面

2.1示波器控制模塊設計

為便于系統的擴展與維護，將示波器控制模塊按照四個層次進行設計，其結構圖如圖3所示。

圖3中需要編寫代碼的有應用層和支持層。 應用層處于最上層，提供人機交互界面； 支持層為第二層，此層根據需要實現的功能共設計了8個子模塊，用來對應用層提供支持和調用； 第三層為命令層，為支持層提供服務； 最下面為硬件層，也就是示波器的測量硬件。 由于示波器控制的子模塊較多，此處不再贅述。

圖3示波器控制模塊層次圖

2.2數字表控制模塊設計

數字表的測量思路是先讀取相應的功能字，從功能字中提取電壓代碼，再從狀態字中判斷是交流測量還是直流測量，接著判斷測量模式。 如果是手動模式，根據量程計算出相應的測量值，并進行顯示； 若是自動模式，則直接讀取測量值顯示。

2.3加解密模塊設計

由于數據是在野外條件下用無線進行傳輸，信號容易泄露，考慮到數據的安全性，同時還要滿足測量系統的實時性要求，選擇logistic映射對測量數據進行了混沌加密[4-7]處理。 通過改變初值，生成不同的隨機序列，并將循環100次后的序列作為密鑰，使用此密鑰與測量數據進行異或運算，實現加密和解密。

示波器波形矢量數據的加密步驟如下：

(1) 確定參數與初始值： 選擇系統當前日期為初始變量，如2015年8月15日，則選擇 0.201 581 5為初始變量，參數u=3.6，通信雙方按相同的規定取值；

(2) 生成密鑰： 根據波形數據的數量確定logistic映射循環次數，此處取2 500，然后取出相同數量的隨機數，即2 500個隨機數作為密鑰；

(3) 加密： 將密鑰與波形數據進行異或運算，生成加密數據；

(4) 發送加密后的數據。

解密步驟前兩步與加密步驟相同，第三步是將密鑰與加密數據進行異或運算，得到原始數據。 其他數據加密方式與此相同。

3測量實驗

在野外使用本系統進行測量，測控中心與終端控制模塊距離4 km左右，測控中心使用全向天線，終端控制模塊使用定向天線，測試結果見下文。

3.1示波器測量實驗

用無線數據采集模塊連接示波器，分別對頻率為1 kHz、 幅值為5 V的方波及頻率為50 Hz、 幅值為150 V的正弦波進行測量，探頭放大倍數為10X，測量結果見圖4～5。

圖4為對方波測量的結果，圖5為對正弦波測量的結果。 可以看出，對示波器的控制和測量是正確的，得到的波形也是準確的。

圖4　方波測量圖

圖5正弦波測量圖

3.2混沌加密、 解密實驗

對圖4所示的波形數據的加密、 解密實驗結果如圖6～7所示。

圖6　加密后方波圖

圖7解密后方波圖

圖6為加密后數據，圖7為解密后的數據。 從圖6～7可以看出，頻率為1 kHz、 幅值為5 V的方波經過加密后，幅值已經完全沒有規律，無法推測出具體的值，解密后的數據與原始數據相同，滿足了數據安全的要求。

4結論

為滿足野外條件下的快速測量需要，本文提出并設計了無線網絡測控系統，該系統基于嵌入式工控機、 單片機、 遠程無線數字微波等模塊，用LABVIEW編寫了軟件平臺。 從實驗結果來看，該系統具有展開迅速、 測量準確、 數據安全等特點，滿足了特殊條件下的測控要求。

參考文獻：

[1] 孫傳友, 孫曉斌. 測控系統原理與設計[M]. 2版. 北京： 北京航空航天大學出版社，2008.

[2] 韓九強，張新曼，劉瑞玲, 等. 現代測控技術與系統[M]. 北京： 清華大學出版社，2007.

[3] 潘曉燁，胡仁杰. 基于LabVIEW的無線溫度測控系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2010(4)： 8-10.

[4] 于竿. 基于混沌的圖像加密算法研究 [D]. 蘭州： 蘭州大學，2014.

[5] 聶春燕. 混沌理論及基于特定混沌系統的微弱信號檢測方法研究[D] . 吉林： 吉林大學，2006.

[6] 駱開慶. 混沌的不可預測性及其在保密通信中應用的研究[D]. 廣東： 華南理工大學，2013.

[7] 王雅慶. 基于混沌的數字圖像加密算法研究[D]. 重慶： 重慶大學，2013.

Design of Wireless Network Measurement and Control System Based on LabVIEW

Fan Yingping1, Wu Kai2, Zhang Tingyu3, Liang Bin1

(1.Unit 69079 of PLA, Urumqi 830013, China； 2. Unit 474 Hospital of PLA, Urumqi 830013, China;3. The Air Force Pilot Selection Center, Lanzhou 730020,China)

Abstract:To solve the problems of remote measurement and control under the field condition,a wireless network measurement and control system architectrue is supposed, and the related hardware is designed. The module of measurement and control and the module of chaotic encryption algorithm are realized by code. The test results show that compared with related measurement and control system，it has the advantages of rapid expansion under field conditions, far transmission distance, increasing control node at will, simple operation, accurate and rapid measurement, data transmission security. The requirements for measurement and control under special conditions can be met.

Key words:LabVIEW; wireless measurement and control; network measurement and control; chaotic encryption

中圖分類號:TP309． 7

文獻標識碼:A

文章編號:1673-5048( 2016) 02-0056-05

作者簡介：樊英平(1974-)，男，山西運城人，博士，工程師，主要從事導航制導與控制方面的研究。

收稿日期：2015-09-06

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.02.015