基于無線傳輸的裝備健康環境監測系統

鞠彥偉 陳 雷

（北京潤科通用技術有限公司，北京 100191）

1 研究背景

1.1 裝備的健康管理

隨著科技的快速發展以及電子化、智能化程度的日漸提高，系統的規模及復雜性與系統維護保障的矛盾也日漸突出。在該背景下，故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術隨之產生并蓬勃發展[1]。PHM技術在裝備維修、后勤保障領域發揮的作用與其廣闊的應用空間已經在越來越多的西方軍事強國得到重視與推廣。基于傳感器應用、數據采集傳輸、大數據挖掘、信息重構與信息融合技術以及健康評估與故障預測技術等，根據診斷或預測結論、資源具備狀態和任務需求為維修保障執行提供決策輸入。武器裝備的健康管理所涉及的范圍很廣，不同的裝備或者裝備內部不同的部件都會有其獨特的健康管理模式與方法。該文主要關注武器裝備所處環境對其健康的影響。

武器裝備的戰斗力與環境密切相關，軍事任務的成敗與裝備在設計、生產、運輸以及使用過程對環境影響的重視程度息息相關。慘痛教訓表明：如果武器裝備在研制、生產和使用過程中不重視環境的影響，就可能導致軍事上的失敗[2]。降低環境影響，提高對武器裝備環境健康的管理、保證其質量是一項十分迫切而又艱巨的戰略任務，必須加以高度重視。

1.2 裝備環境影響分析

武器裝備在任務壽命周期內，存在包括貯存、運輸、維修以及檢測等不同場景，各類場景下的環境因素變化都會對裝備本身的功能性能產生影響，典型環境因素包括溫度、濕度、沖擊、霉菌、鹽霧、易爆氣體以及有毒氣體等。

該文著重分析4項普遍又關鍵的環境因素：溫度、濕度、壓力以及振動。

1.2.1 溫度的影響

不同的構成裝備的材料具有不同的線膨脹系數，隨溫度變化，材料發生形變，造成配合公差變化，結構被破壞，而且非金屬材料中的易揮發物質在高溫下易揮發，會加快設備的老化和失效速度。

1.2.2 濕度的影響

濕度過高會使裝備的金屬零件及殼體表面出現銹蝕、腐蝕，電子器件（尤其是精密儀器）也會因腐蝕而出現性能下降或功能喪失的現象；非金屬材料更容易因濕度出現變形、老化加速以及絕緣性能下降等問題。

1.2.3 壓力的影響

對于貯存在密封保壓條件下的武器裝備，壓力是必須關注的因素；壓力與海拔有密切的關系，高海拔對武器裝備的影響主要表現為密封產品或器件內外壓差增大、燃機類燃燒不充分、功率下降以及機動性能退化等。

1.2.4 振動的影響

裝備在正常使用、轉運和裝卸等過程中會受到劇烈振動、沖擊等形式的影響，造成電子設備出現失靈、機械裝置故障以及結構損傷等問題。

綜上所述，對裝備所經歷的環境剖面進行實時監測是武器裝備健康管理的一個必不可少的關鍵步驟。

2 裝備健康環境監測系統方案

2.1 系統整體方案

環境監測系統主要是對貯存、運輸等條件下裝備的環境參數進行采集、存儲和記錄，并通過無線方式將數據回傳至中央計算機，積累數據，形成裝備的壽命數據履歷檔案，為健康管理提供保養、維修與狀態監測的有效數據依據。

系統由手持機加載數據采集軟件以及無線適配器中轉回傳環境監測裝備采集到的數據，完成對環境參數的實時監測，環境監測系統框圖如圖1所示。

圖1 環境監測系統框圖

手持機主要是在運輸過程中完成巡檢采集與參數配置等工作。可將采集到的參數顯示在手持機的屏幕上。

無線適配器是無線接收端，完成環境監測裝置無線網絡的建立，最終通過以太網將無線接收到的環境監測裝置報文轉發給數據采集計算機。

數據采集軟件是具有良好人機界面的用戶使用軟件，主要功能是通過無線適配器與環境監測裝置進行通信，可實現參數配置、數據讀取、時間校準以及歷史數據讀取等功能，并將讀取的數據存儲在計算機的數據庫中，實現對歷史數據進行有效地管理、數據繪圖顯示以及數據分析與統計等功能。

2.2 無線組網方案

為提高并兼顧通信速率及傳輸可靠性，環境監測系統選擇了無線星形網絡結構，通過無線適配器與環境監測裝置直接連接，降低了無線通信的網絡時延，在保證數據高效傳輸性的同時，還可以提高信道的數據吞吐量。

一個網絡系統可使用多達16 個無線適配器，每個無線適配器可連接最多128個環境監測裝置，因此網絡規模可達2 048個，完全可以滿足大規模組網的要求，并且具有較大的冗余量。同時，每個環境監測裝置與每臺加載裝備一一配裝，通過環境監測裝置的64位唯一地址編號建立對應表格，實現對裝備環境狀態的有序獲得。

無線通信的安全性由3個方面來保障：首先是循環冗余校驗（CRC），無線通信模塊為了避免接受錯誤報文，會通過CRC校驗執行對數據包完整性的檢查。其次是應答機制，無線通信是一問一答型通信，當接收方收到無線報文后，會立即反饋一個應答幀給發送方，如果發送方沒有收到應答幀，可按照設計的次數進行重復發送。最后是AES加密機制，采用AES-128位加密算法對無線報文進行加密，提高了通信的安全性。AES加密方式是一種不可逆的加密方式，由128位密鑰、32位密鑰序列和64位加密完整碼共同保證AES加密的可靠性。

2.3 系統應用

該文介紹的環境監測系統，可應用于裝備的本體或包裝箱監測，已實現的參數監測包括溫度、濕度、壓力以及振動。

3 環境監測系統設計

3.1 環境監測裝置

環境監測裝置從結構上主要由電池倉、傳感器倉和本體組成，組成示意圖如圖2所示。

圖2 環境監測裝置組成示意圖

電池倉實現整個設備的供電功能，采用獨立電池倉的設計，便于維護過程更換電池的同時，實現與被測裝備的供電解耦。傳感器倉集成包括溫濕度及壓力傳感器，通過結構設計的形式，縮短相關傳感器的敏感時間；同時，獨立倉體設計可以減少維修保障時間。本體包括主控芯片核心處理器、存儲芯片、電源處理模塊、無線通信模塊、振動傳感器及外圍電路等，本體可以實現對環境數據的匯總、采集及存儲，通過無線形式與外界展開通信。電池倉、傳感器倉通過接插件安裝在本體上，采用模塊化設計，便于快速拆裝。

3.1.1 電源模塊設計

系統采用電池供電，供電電壓的范圍為6 V～10 V，轉化為3.3 V供后級電路使用，電源管理模塊控制外部傳感器供電端的開關，同時實現對電池組進行短路保護等功能，是實現系統低功耗的重點設計點。電源模塊的供電架構示意如圖3所示，功能電路通斷電開關設置與主功能分解相對應，在低功耗管控狀態下，保證各功能的正常執行。

圖3 供電架構示意圖

圍繞實現系統的低功耗，環境監測裝置劃分為3種工作模式，分別為待機模式、定時觸發模式及閾值觸發模式。

在待機模式下，環境監測裝置處于低功耗待機狀態，傳感器處于休眠狀態；在定時觸發模式下，傳感器參數的采集是基于設置時間而執行的，按照設置的時間長度，定時啟動溫濕及壓力傳感器，執行對數據的采集及存儲；閾值觸發模式主要是面向加速度傳感器監測到振動幅值超過預設的閾值，從而自動進入工作狀態。工作模式的劃分主要是圍繞參數采集存儲可行有效的背景下，減少電池電量消耗，延長設備的有效工作壽命。

3.1.2 主控模塊

環境監測裝置的核心控制模塊由主控芯片以及外圍電路組成，主控芯片選用的是32位Cortex?-M3內核的ARM芯片，具有高速計算性能，還具備多路SPI、I2C以及UART等接口。

3.1.3 存儲模塊

存儲單元由2個部分組成NANDFLASH存儲和F-RAM鐵電存儲。SLC架構的NANDFLASH芯片可進行高速讀寫并且其數據的可靠性很高，可以用于對大容量數據的存儲，包括存儲溫濕壓以及振動數據。F-RAM鐵電存儲器用于保存相關的配置項，包括采集周期、觸發閾值及校準參數等，鐵電存儲器具有非易失性，并且可以像RAM一樣快速讀寫，數據掉電后可以保存45 a。

3.2 手持機

手持機由顯示屏、主控板、無線模塊、壓力采集模塊及鋰電池組成。手持機與環境監測裝置通過無線進行通信，可以實現實時讀取環境監測裝置的數據、配置環境監測裝置的參數、時間校準以及讀取設備內存儲的歷史數據等功能。

3.3 無線適配器

無線適配器由ZigBee模塊、壓力傳感器、以太網/UART模塊、RS422/UART模塊以及電源模塊組成。無線適配器建立無線通信，同時使用壓力傳感器獲取環境大氣壓力，協同環境監測裝置的數據一起通過以太網/UART模塊將數據上傳至數據采集計算機。

4 系統軟件設計

4.1 環境監測裝置軟件設計

環境監測裝置系統軟件分為Bootloader和應用軟件，應用軟件又分為7層，分別為MCU固件層、驅動層、通信層、通用層、服務層、應用層和任務調度層。整個軟件分解為不同模塊，保證各模塊功能獨立、耦合性低。出現故障時能夠及時、準確地確定系統狀態并隔離相應故障軟件模塊。

MCU固件層包括所有MCU軟件驅動和硬件資源，其他層調用該層函數進行硬件資源配置及控制；驅動層調用MCU固件實現外圍芯片驅動、實時時鐘以及應用的硬件資源的初始化配置；通信層與外部進行通信，根據協議將數據和狀態傳送至上位機，接收上位機的命令并進行處理；通用層包括濾波模塊和產品信息模塊，實現濾波和查詢產品信息的功能；服務層實現電源狀態采集及控制、休眠喚醒功能、NandFlash數據地址空間分配、存儲查詢、擦除以及F-RAM讀寫功能；應用層是功能邏輯層，包括傳感器數據采集邏輯控制和數據存取邏輯控制等；任務調用層根據配置的循環調度周期和優先級調用處理不同的任務。

4.2 數據采集分析軟件設計

數據采集分析軟件是環境監測系統的信息中樞，有效地對所有環境監測裝置進行監測與管理，并實時獲取環境監測裝置數據，通過分析武器裝備所經歷的環境參數，以實現對其健康狀態的評估和危險狀態的報警。軟件功能項包括用戶管理、數據讀取直至數據分析等各子條目，軟件架構如圖4所示。

圖4 數據采集計算機軟件架構

數據采集分析軟件作為人機交互界面，具有管理全部用戶數據的權限。軟件具有數據交互、設備配置、實時監測報警、數據庫存儲和管理、數據時域繪圖、數據頻譜分析、數據條件統計查詢以及數據導出等功能。

5 結論

環境監測系統采用了傳感器技術、數據采集技術、數據預處理技術及數據傳輸技術等，實現了對裝備環境剖面的狀態監測功能。環境監測裝置采集存儲的環境數據能夠反映貯存、運輸、試驗以及使用過程中裝備所經歷的環境剖面，而且通過環境數據異常對比分析可以加快定位故障設備的速度，同時為試驗方案、標準的制定、操作規范的制定、裝備的設計研發以及裝備升級提供有力的數據支持。