基于低溫環(huán)境的方艙遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)設計

高斌　李凱

摘要：針對冬天遙測方艙內部環(huán)境溫度低、空氣干燥，且位于野外的方艙內部安全監(jiān)測難等問題，提出了一種操作簡單、控制高效的方艙遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)的設計實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)采用移動網(wǎng)絡通信技術，通過手機終端遠程實時控制艙內溫濕度、監(jiān)測艙內環(huán)境，解決了設備加溫時間長、工作環(huán)境艱苦和方艙安全性等問題，確保飛行試驗任務高質高效開展。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有操作簡單、運行穩(wěn)定和集成度高等特點，對方艙赴極端環(huán)境執(zhí)行飛行試驗任務的環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)設計具有一定的推廣應用價值。

關鍵詞：遙測方艙;遠程控制;移動網(wǎng)絡通信;手機客戶端

中圖分類號：TB34

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.042

試驗機進行飛行試驗是完成設計鑒定的重要環(huán)節(jié)，前往各種極端環(huán)境進行試驗是驗證試驗機各項指標的重要前提。遙測方艙作為赴外場保障飛行試驗任務的移動工具，承擔著試驗機的遙測信號接收、數(shù)據(jù)實時處理和監(jiān)控任務。極端環(huán)境是指高溫、高寒和高原等，在極端環(huán)境下方艙內的設備或各系統(tǒng)可能出現(xiàn)工作狀態(tài)異常，環(huán)境舒適度差導致工作人員效率降低，影響科研試飛工作順利進行。此外方艙放于機場周圍或野外空曠地帶，造成方艙安全監(jiān)測困難等問題[1-2]。

隨著科技的快速發(fā)展，智能家居已成為當今研究熱點，其使人們的生活方式更加便捷、居住環(huán)境更加智能舒適[3-4]。本文以此技術為切人點，結合方艙具體使用環(huán)境，針對溫度低造成設備正常工作時加溫時間長、濕度低產(chǎn)生靜電損壞設備、方艙內部環(huán)境監(jiān)測困難等問題，提出了一種基于低溫環(huán)境的方艙遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)設計方法[5-6]。此系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了遠程加溫加濕、安全監(jiān)測、艙內環(huán)境舒適度調節(jié)等功能，而且集成度高、工作穩(wěn)定、操作簡單和易于擴展。

1 總體方案設計

基于低溫環(huán)境的方艙遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)主要由4部分構成，如圖1所示，分別為手機客戶端、遠程通信鏈路、核心控制箱、傳感監(jiān)測設備和執(zhí)行設備。

手機客戶端通過4G基站連接云端服務器，與核心控制箱完成數(shù)據(jù)通信，開發(fā)的客戶端軟件可遠程查看實時艙內溫濕度和監(jiān)測環(huán)境，也可遠程控制紅外攝像頭、加溫加濕設備的工作狀態(tài)等。遠程通信鏈路采用基于4G傳輸標準的公用移動通信高速數(shù)據(jù)傳輸路由器，具有雙網(wǎng)卡雙天線接口，保證工作穩(wěn)定容錯性高。4G基站通過云服務器連接路由器和手機終端，完成遠程通信功能。

核心控制箱是此系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，選用DAM0455作為核心控制器，具有數(shù)據(jù)采集處理、與4G路由器通信、控制開關工作等功能。控制箱可進行手動和自動控制，具有定時功能，兩級空開級聯(lián)、火線零線集中布線，多路開關控制且易于擴展等。

傳感監(jiān)測設備和執(zhí)行設備包括溫濕度傳感器、紅外攝像頭、油汀加熱器、加濕器、制氧設備等，執(zhí)行來自手機端的指令完成加溫加濕和制氧功能等，同時將傳感器和攝像頭信息實時傳送至手機客戶端。

2 系統(tǒng)核心硬件設計

核心控制箱作為系統(tǒng)的核心硬件，可完成與手機客戶端的通信和控制執(zhí)行設備工作。選用DAM0455作為控制器，具有輸入光耦隔離、繼電器輸出觸點隔離功能;通訊接口支持WiFi、網(wǎng)口兩種方式，支持標準Modbus協(xié)議，同時支持RTU和TCP格式，通過云服務器配置進行遠程通訊;具有閃開、閃斷功能，可以在指令里邊帶參數(shù)、操作繼電器開一段時間自動關閉;具有頻閃功能，可以控制繼電器周期性開關;具有定時控制功能，可外接定時器讀取時間設置參數(shù)，定時斷開或閉合觸點開關;手動開關或開關量觸發(fā)設備與控制輸出聯(lián)動。DMA0455控制器連接如圖2所示，DAM0455內部具有數(shù)據(jù)采集和處理功能，采集溫濕度和紅外攝像頭信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，傳至顯示模塊。控制器連接遠端云服務器，與4G路由器通過有線或無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信。手機端按照協(xié)議連接云服務器，通過4G基站與路由器通信，可發(fā)送指令至控制器，控制器控制觸點開關通斷，實現(xiàn)加溫和制氧設備工作，同時控制器將艙內溫濕度和環(huán)境狀態(tài)信息通過4G網(wǎng)絡傳至手機端查看。核心控制箱實物如圖3所示，此控制箱集成度高，布置合理安全，易于擴展，穩(wěn)定可靠。

3 遠程監(jiān)測控制軟件設計

從手機終端發(fā)出控制指令到核心控制箱執(zhí)行指令，是由系軟件設計來完成[6-7]。軟件設計是整個系統(tǒng)的核心，其程序流程如圖4所示。

手機客戶端采用消息隊列遠程遙測傳輸Modbus協(xié)議，發(fā)送指令消息到云服務器上，云服務器打包指令消息通過4G基站訪問到遠端路由器，路由器經(jīng)有線或WiFi方式把消息傳送給DAM0455控制器，控制器解析指令消息后控制繼電器觸點開關閉合或斷開，實現(xiàn)加溫設備和制氧設備工作或斷開。同時控制器采集溫濕度傳感器和紅外攝像頭數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)送到云服務器上，云服務器將收到的數(shù)據(jù)再傳至給手機終端，以便查看艙內環(huán)境動態(tài)。該系統(tǒng)軟件程序主要包括兩部分：手機客戶端軟件程序設計和控制器的程序設計。

3.1 手機客戶端軟件設計

手機客戶端開發(fā)采用Java編程語言，開發(fā)環(huán)境為Android Studio。手機APP設計一方面用于指令的發(fā)送;另一方面接收傳感監(jiān)測設備信息。手機端指令發(fā)送程序和控制器指令接收程序如圖5所示。圖5（a）為手機端指令發(fā)送程序，接收信息程序流程反向進行。

3.2 控制器軟件設計

DAM0455可以進行二次開發(fā)，采用C/C++編程語言，基于Modbus協(xié)議開發(fā)?？刂破髟O計一方面接收來自手機端的指令信息并控制執(zhí)行設備完成相應動作;另一方面將采集處理的傳感監(jiān)測信息發(fā)送至手機端。圖5 （b）為控制器指令接收程序，發(fā)送信息程序流程反向進行。

4 實驗測試結果

將此系統(tǒng)應用在- IO℃的環(huán)境中，通過手機客戶端可對比遠程控制前后方艙的溫濕度，從圖6中可見加溫前溫濕度為- 9.3℃、17.1%，加溫后為14.2℃、8.2%。艙內設備正常工作溫度在1O - 20℃，遠程加溫替代了人工加溫，快速使設備進入工作狀態(tài)，改善了人員的工作環(huán)境，同時手機端可通過紅外攝像頭遠程查看艙內動態(tài)，確保方艙安全。

5 結論

本文設計了一種基于低溫環(huán)境的方艙遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以控制箱為核心，通過4G移動通信網(wǎng)絡連接，手機終端遠程控制執(zhí)行設備完成加溫加濕、監(jiān)測等功能，同時可實時查看艙內環(huán)境狀態(tài)。實驗表明該系統(tǒng)操作簡單、集成度高、運行穩(wěn)定和易于擴展，可被廣泛應用于方艙赴極端環(huán)境執(zhí)行飛行試驗任務，改善艙內環(huán)境。

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