基于NFC技術的筒內環境監測系統設計

孫曉鳳 周思浩 邵俊飛 張國軍 潘曉青

基于NFC技術的筒內環境監測系統設計

孫曉鳳 周思浩 邵俊飛 張國軍 潘曉青

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

針對某航天產品在存儲時環境因素無法實時監測進而無法保證產品質量的缺點，以筒內為研究對象，基于NFC技術，因設計一種能實時監測筒內存儲環境的系統。試驗結果表明：該系統能實時監測筒內所處環境中的溫度、濕度、氣壓等信息，工作穩定，具有很好的應用價值。

筒內產品；環境監測；NFC技術；產品質量

1 引言

隨著科技的飛速發展，各國的武器裝備都取得了長足發展。然而武器裝備在存儲、使用過程中，由于環境原因造成戰斗力下降的例子數不勝數，帶來了巨大的損失。美國國防部于20世紀60年代進行調查研究，發現：在造成武器裝備損壞的幾大因素中，環境因數占50%以上，超過了作戰損壞；而在庫存期，環境因素占據60%[1]。可以說，良好的環境適應性已成為提高武器裝備質量的重要因素之一，對戰爭的成敗起關鍵性作用[2～4]。

針對某航天產品武器系統，尤其是筒內武器存儲環境的特點，設計了一種實時監測筒內存儲環境的系統。本監測系統采用NFC近場通訊技術無線傳輸，可以在較低的發送功率下獲得較遠的傳送距離，提高了覆蓋面積；同時其較高的接收靈敏度使其具備更強的弱信號捕捉能力，保證了在較遠接收距離的連接穩定性，適用于庫房環境的數據采集與傳輸[5]。

通過實驗證明：該系統工作穩定，能實時監測筒內所處環境中的溫度、濕度、位置等信息，為筒內批次化管理以及全壽命質量健康管理提供了事實依據，具有很好的應用價值。

2 總體結構設計

2.1 設計原則

國內外學者在對以往環境因素引發某航天產品武器故障的案例中統計分析發現：在淋雨、太陽輻射、風、沙塵、溫度、濕度、振動、高度、微生物、電磁輻射等環境因數中，溫度、振動、濕度是引起某航天產品武器產生故障的主要因素，各主要環境因素引起某航天產品故障統計百分比如圖1所示[6]。

圖1 主要環境因素引起某航天產品故障統計百分比

在存儲時，溫度、濕度為引起某航天產品產生故障的主要因素[7]。對于筒內這種具有保護層的某航天產品武器來說，筒體內外的氣壓對保證某航天產品質量起著舉足輕重的作用。針對洞庫存儲環境的特點以及存儲相關要求，以溫度、濕度、壓強為技術指標，設計一種實時監測的系統。

2.2 系統總體設計

根據設計原則，本監測系統總體方案主要包括：無線溫濕壓傳感器、手持式終端。在數據傳輸方面采用基于NFC的無線通訊技術；無線傳感器敏感體采用高度集成的MEMS傳感敏感單元，傳感器內置射頻收發器，負責傳感器測量數據的傳輸；系統采集的數據，經處理器轉換處理、加密后無線傳輸至手持式終端，在手持式終端中處理、顯示、存儲、生成報表，并完成異常狀態預警報警等功能。

圖2 星型拓撲結構無線組網測試示意圖

為方便管理，每個洞庫設一個無線接收設備（手持式終端）、多個傳感器。星型拓撲結構具有結構簡單、容易創建、管理方便等優點，是一種最常見的局域網絡創建方式[8]。綜合考慮，手持終端與傳感器之間采用星型拓撲結構無線組網。其組網測試示意圖如圖2所示。

3 系統硬件設計

本監測系統硬件主要包括：綜合傳感單元、手持式終端等。系統組成框圖如圖3所示。

圖3 環境監測系統組成框圖

3.1 綜合傳感單元設計

綜合傳感單元采用一體式復合設計，使用FPC微帶天線滿足產品一體化、小型化要求，采用內置天線提高產品的整機防護性能、可靠性和信號覆蓋性，其組成如圖4所示。該模塊包含了溫濕壓敏感單元、電源單元、調理電路。整體結構由敏感頭腔、電氣腔、電池腔三大部分組成。其中，敏感頭為溫濕壓集成MEMS芯片，完成信號的敏感獲取及電信號的轉換；電氣腔安裝無線變換器、接收天線電路板，接收敏感頭傳輸的電信號，處理后通過無線發送。

圖4 綜合傳感單元組成框圖

電路工作過程：溫濕壓組合敏感頭將被測的溫度、濕度、壓力信號轉換成電壓信號后，經變換器前級運放調理，信號轉換為ADC可以測量的信號，然后送入ADC轉換，轉換后的數字量化值輸入MCU處理，后經RF模塊將測量數據無線發射至無線信道中。電池輸出的電能經LDO穩壓處理后，給MCU及RF射頻電路供電，同時經隔離模塊，給氣體敏感元件及模擬調理電路供電。

3.2 手持式終端設計

圖5 手持式終端電氣原理圖

根據溫濕壓無線測量、測試數據分析管理等要求，設計一款支持多功能擴展、多功能組合的手持式終端，集RFID、GPS、攝像頭、串口、USB接口、網口、AD轉換、RS232接口等多種單元為一體。主要由主處理器、電阻式觸摸屏、電池、充電管理電路、電源轉換電路、存儲單元、各種擴展接口、無線射頻單元、10芯航插組成。其電氣原理如圖5所示。

手持式終端通過擴展的無線收發器射頻單元，可實現與多只綜合傳感單元通信，完成數據的無線采集及管理。配套有完善的采集、顯示、查詢軟件，可讀取、顯示、保存、查詢無線傳感器的測量數據。

4 系統軟件設計

4.1 上位機軟件設計

本系統上位機由手持式終端（觸摸屏）和無線通信單元組成。其數據處理及節點指令控制由手持式終端完成；無線通信單元負責完成數據、指令的傳輸。

作為數據采集的主要節點，上位機通過無線方式對子節點（數據采集節點）進行控制，子節點將對應的數據回傳至上位機，上位機讀出處理并顯示、保存。

上位機軟件主要由以下幾個模塊組成：a.參數設置模塊；b.無線通信模塊；c.數據接收、顯示模塊；d.功能控制模塊。其中，無線通信模塊分為通信檢測、接口設置、查詢等單元；功能控制模塊主要完成網絡開關、數據采集模塊重啟等功能的控制。上位機軟件界面如圖6所示。

圖6 上位機軟件界面

4.2 下位機軟件設計

本系統下位機程序使用C語言編寫，實現數據采集、數據傳輸、模塊初始化、參數設計、數據顯示（曲線繪制）、數據存儲等功能。

其中，USB接口、RS232接口模塊實現子節點與上位機之間的通信。

4.3 軟件可靠性設計

考慮到可靠性，在設計過程中通過必要的措施避免引起失效的缺陷。其可靠性設計模型如圖7所示。

圖7 軟件可靠性設計模型

應用程序分為管理員模式和用戶模式，每個模式有不同的權限對應無線數據接收控制器的軟件設計，采取的可靠性設計方法：a.在無線控制器程序設計中，盡可能使各個功能子模塊獨立，降低程序的復雜程度，減少模塊之間未知的邊際效應；b.優化各處理器的程序結構，減少不必要的嵌套；c.對于程序中關鍵的標志位，采用恢復塊方法；d.在無線射頻通信程序中，利用糾錯碼和CRC校驗，提高無線數據傳輸的可靠性。

5 實驗驗證

監測系統實物外形見圖8。由手持式管理終端及溫濕壓傳感器組成。溫濕壓傳感器單元采用電池供電，便于攜帶。其中，溫濕壓傳感器用于實時檢測和記錄筒內溫度、氣壓、濕度和筒外溫度與氣壓環境值，并實時解算筒內外壓差等；手持式管理終端用于讀取、顯示、存儲、管理氣壓、溫度、濕度等環境數字，并綜合分析形成報表。為驗證本系統的實際功能，該系統于2020年2月實驗。選用某型號產品為實驗對象，以5min/次的采樣頻率，連續采樣2.5h，實驗地點為某廠房。實驗數據如表1所示。對應的曲線圖如圖9～圖11所示。實驗結果顯示，各項性能滿足設計要求。

圖8 監測系統實物組成圖

表1 實驗采集數據表

圖9 溫度、濕度折線圖

圖10 內氣壓、外氣壓折線圖

圖11 壓差折線圖

6 結束語

針對筒內存儲時環境特點，以氣壓、溫度、濕度等為監測對象，設計了一種基于NFC技術的實時環境監測系統。通過實驗驗證，該系統工作穩定，達到了預期要求，為筒內的質量保證提供了很好的監測手段，具有較好的應用價值。

1 文邦偉，胥澤奇. 外軍裝備環境適應性典型案例[J]. 裝備環境工程，2005，2(3)：85～87

2 陳愛苗，路永. 靜電對某航天產品的危害及防護[J]. 硅谷，2012(2)：181

3 吳勛，周巍. 某航天產品武器系統開展環境適應性研究的思考[J]. 裝備環境工程，2005，2(2)：81～85

4 吳勛，孟濤. 地地某航天產品環境適應性分析[J]. 裝備環境工程，2006，3(1)：30～36

5 張平，曹翔，施東偉，等. 一種基于Sub-1GHz的多信道光伏子陣無線組網技術[J]. 電力信息與通信技術，2017，15(11)：83～88

6 王威，張多林. 溫度因素對地空某航天產品武器裝備的影響與相關防護研究[J]. 裝備環境工程，2006，3(6)：41～44

7 張仕念，吳勛，顏詩源，等. 貯存使用環境對某航天產品性能的影響機理[J]. 裝備環境工程，2014，11(5)：17～22，53

8 關凱元，夏靜. 基于星型拓撲網絡結構的無線數據采集系統[J]. 電子設計工程，2018，26(11)：170～173

Designing of Environmental Monitoring System in Canister Based on NFC Technology

Sun Xiaofeng Zhou Sihao Shao Junfei Zhang Guojun Pan Xiaoqing

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

The environmental factors of an aerospace product can?t be monitored in real time, and thus the product quality can?t be guaranteed when it is stored. Taking the products in the canister as the research object, a system which can monitor the storage environment in the canister in real time is designed based on NFC technology. And Experimental results show that the system can monitor the temperature, humidity and air pressure of the environment in the canister in real time. It works stably and has great application value.

products in the canister；the environment monitored；NFC technology；product quality

孫曉鳳（1981），碩士，機械制造及自動化專業；研究方向：航天產品總裝工藝研究。

2020-08-25