基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機機電系統(tǒng)傳感器檢測平臺設(shè)計

文/李燕南 梁向東 易向軍 楊定華

飛機機電系統(tǒng)中安裝了多種傳感器，種類繁多，且安裝方式各不相同，在復雜的飛機機電系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境下，針對傳感器的測試非常不便。以前的檢測方法是通過制作安裝在工控機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊的轉(zhuǎn)接電纜，再將其連接至傳感器，制造的電纜非常長且需跟隨設(shè)備移動，不易于攜帶，而且對于安裝在飛機不利于連接部位的傳感器也難于檢測，給飛機故障定位帶來極大的困擾。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能將感應器嵌入到各種物體中，然后與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，通過中心計算機，方便實現(xiàn)人對整個物理系統(tǒng)的管控。為此，本文設(shè)計了一種基于虛擬儀器平臺，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來采集傳感器轉(zhuǎn)換輸出的電信號，利用無線網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)，上傳采集數(shù)據(jù)到便攜式計算機或云平臺，并對傳感器輸出數(shù)據(jù)進行采集、檢測并診斷的檢測設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框圖

物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)層次上分為三個層次：感知層是由各傳感器及網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，負責數(shù)據(jù)的采集；網(wǎng)絡(luò)層由無線通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成，負責數(shù)據(jù)的傳輸處理；應用層是聯(lián)系物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，實現(xiàn)用戶的需求。

基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機機電系統(tǒng)傳感器檢測平臺設(shè)計包括：由傳感器主體構(gòu)成的感知層、由便攜式計算機構(gòu)成的應用層以及由無線網(wǎng)卡、無線以太網(wǎng)采集模塊組成的網(wǎng)絡(luò)層。USB轉(zhuǎn)Wi-Fi信號的無線網(wǎng)卡通過USB口插在便攜式計算機上，小型的電源模塊給無線采集模塊提供工作電源，通過無線網(wǎng)絡(luò)將無線網(wǎng)卡與無線采集模塊進行通訊連接。提供給各類傳感器工作電壓或恒流源。傳感器的輸出端通過其電連接器上的引線連接到無線采集模塊的測試端。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)框圖

圖2：Modbus/TCP中ADU與PDU的關(guān)系

1.2 本平臺各部分功能描述

1.2.1 感知層

飛機機電系統(tǒng)中傳感器輸出的一般為模擬信號，例如溫度傳感器、壓力傳感器、油量傳感器、扭矩傳感器、油位傳感器等，其輸出的信號有溫度、壓力、油量、扭矩、油位等，一般傳感器具有線性特性，有的具有分段線性特性，例如溫度傳感器和油量傳感器等，有的實際特性卻是非線性曲線，線性特性的傳感器按照線性規(guī)律，進行數(shù)學建模，輸出按一定規(guī)律變換的電壓信號，非線性特性的傳感器采用最小二乘法進行數(shù)學建模?；蜏囟葌鞲衅魇且噪娮栊问捷敵?，因此需給其提供穩(wěn)定的恒流信號，轉(zhuǎn)換為無線以太網(wǎng)采集模塊方便采集的電壓信號。由于飛機上選用的傳感器均為傳統(tǒng)類型的傳感器，不具備無線傳輸功能，故本平臺利用傳感器上電連接器的引腳直接與無線以太網(wǎng)采集模塊測試端相連。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

無線網(wǎng)絡(luò)是符合以太網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)標準。在便攜式計算機上的USB口插入USB轉(zhuǎn)Wi-Fi的無線網(wǎng)卡，通過小型電源模塊提供給無線以太網(wǎng)采集模塊適當?shù)墓ぷ麟妷?，無線以太網(wǎng)采集模塊工作正常后，無線網(wǎng)卡通過無線網(wǎng)絡(luò)搜索到該無線采集模塊，并進行連接。

1.2.3 應用層

應用層的報文傳輸服務是采用Modbus/TCP協(xié)議進行。Modbus 是一個主/從或客戶端/服務器端架構(gòu)的通訊協(xié)議。本平臺的客戶端為便攜式計算機，服務器端為傳感器。由客戶端對無線采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進行判斷、解析與處理，并與用戶進行交互和顯示。

客戶端通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到服務器端，連接成功后，客戶端通過給服務器端發(fā)送不同命令，服務器端執(zhí)行相應的動作后，客戶端進行查詢并對接收到的服務器端響應的數(shù)據(jù)進行解析。本平臺使用的無線以太網(wǎng)采集模塊是選用研華公司的WISE-4012無線采集模塊。

2 系統(tǒng)軟件

2.1 Modbus/TCP協(xié)議

圖3：客戶端事務處理流程

Modbus 是一種通訊協(xié)議，是基于主站/從站或客戶機/服務器方式連接設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。Modbus 協(xié)議定義了PDU模型，即功能碼+數(shù)據(jù)的格式。隨著Modbus 協(xié)議不斷擴展，串行鏈路、TCP/IP等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)引入到Modbus 應用協(xié)議中。Modbus與TCP/IP結(jié)合成為Modbus /TCP協(xié)議。Modbus/TCP協(xié)議是以一種簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，從而形成了一種工業(yè)以太網(wǎng)應用層協(xié)議。

TCP/IP上的Modbus應用單元包含MBAP(Modbus Application Header)報文頭字段、功能碼和數(shù)據(jù)域。Modbus TCP/IP服務器通常使用端口502作為接收報文的端口。同時，由于底層的TCP/IP協(xié)議確保了端到端的連接，而且TCP/IP鏈路層已確保傳輸數(shù)據(jù)的準確性，因此，Modbus/TCP協(xié)議不需要校驗碼功能。TCP/IP 上的Modbus 應用數(shù)據(jù)單元與協(xié)議數(shù)據(jù)單元關(guān)系如圖2所示。

2.2 應用層協(xié)議的實現(xiàn)

本平臺是基于Labwindows/CVI虛擬儀器平臺進行軟件開發(fā)，運用物聯(lián)網(wǎng)的Modbus/TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4：軟件測試界面

在Labwindows/CVI中與TCP服務器連接時，必須獲得需要連接的服務器的相關(guān)信息。每個服務器在主機上都有唯一的端口號。任何一個客戶端連接到服務器上之前，必須知道服務器端口號和IP地址。本平臺主要為客戶端應用程序，使用ConnectToTcpServer函數(shù)將客戶程序連接至服務器端。連接成功后，方可進行后續(xù)TCP回調(diào)函數(shù)操作。本平臺對客戶端的基本事務處理流程如圖3所示。首先是建立客戶端與服務器端的連接，然后創(chuàng)建Modbus應用數(shù)據(jù)單元形成查詢報文，客戶端向服務器端發(fā)送報文，服務器端接收報文后，根據(jù)功能碼做出相應動作，并將響應報文返回給客戶端。客戶端根據(jù)報文數(shù)據(jù)進行解析，同時將結(jié)果轉(zhuǎn)化為十進制物理量進行顯示或發(fā)送到云端。本平臺本地數(shù)據(jù)不僅能夠被用戶訪問讀取，還能夠被自動推送到云端。一旦數(shù)據(jù)達到上傳標準，存儲器將會把這些數(shù)據(jù)推送到公共云，比如百度或是Dropbox。

3 測試實例

本平臺軟件測試界面如圖4所示。便攜式計算機和無線以太網(wǎng)采集模塊連接成功后，通過在界面中給不同傳感器發(fā)送控制命令，產(chǎn)品自動完成相應動作。在整個系統(tǒng)運行過程中，需不斷發(fā)出查詢指令輪詢無線采集模塊的輸入寄存器值，連接到不同地址的傳感器動作后，無線采集模塊將響應報文返回給便攜式計算機，同時，計算機分析響應報文中獲得的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進行解析，完成采集的十六進制數(shù)據(jù)與十進制的轉(zhuǎn)換后，得到實際采集數(shù)據(jù)的物理量。

4 結(jié)束語

本平臺利用LabWindows/CVI虛擬儀器平臺，運用物聯(lián)網(wǎng)中的Modbus/TCP通信協(xié)議，充分發(fā)揮了虛擬儀器開發(fā)的便捷功能，同時利用Modbus/TCP通訊協(xié)議，有效解決了飛機機電系統(tǒng)中傳感器測試不便的問題。該設(shè)備已得到實際應用，并可推廣至其他系統(tǒng)傳感器檢測中。