基于NFC技術(shù)的筒內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫曉鳳 周思浩 邵俊飛 張國軍 潘曉青

基于NFC技術(shù)的筒內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫曉鳳 周思浩 邵俊飛 張國軍 潘曉青

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

針對某航天產(chǎn)品在存儲時(shí)環(huán)境因素?zé)o法實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)而無法保證產(chǎn)品質(zhì)量的缺點(diǎn)，以筒內(nèi)為研究對象，基于NFC技術(shù)，因設(shè)計(jì)一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測筒內(nèi)存儲環(huán)境的系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測筒內(nèi)所處環(huán)境中的溫度、濕度、氣壓等信息，工作穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

筒內(nèi)產(chǎn)品；環(huán)境監(jiān)測；NFC技術(shù)；產(chǎn)品質(zhì)量

1 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，各國的武器裝備都取得了長足發(fā)展。然而武器裝備在存儲、使用過程中，由于環(huán)境原因造成戰(zhàn)斗力下降的例子數(shù)不勝數(shù)，帶來了巨大的損失。美國國防部于20世紀(jì)60年代進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)：在造成武器裝備損壞的幾大因素中，環(huán)境因數(shù)占50%以上，超過了作戰(zhàn)損壞；而在庫存期，環(huán)境因素占據(jù)60%[1]?？梢哉f，良好的環(huán)境適應(yīng)性已成為提高武器裝備質(zhì)量的重要因素之一，對戰(zhàn)爭的成敗起關(guān)鍵性作用[2～4]。

針對某航天產(chǎn)品武器系統(tǒng)，尤其是筒內(nèi)武器存儲環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)監(jiān)測筒內(nèi)存儲環(huán)境的系統(tǒng)。本監(jiān)測系統(tǒng)采用NFC近場通訊技術(shù)無線傳輸，可以在較低的發(fā)送功率下獲得較遠(yuǎn)的傳送距離，提高了覆蓋面積；同時(shí)其較高的接收靈敏度使其具備更強(qiáng)的弱信號捕捉能力，保證了在較遠(yuǎn)接收距離的連接穩(wěn)定性，適用于庫房環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與傳輸[5]。

通過實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能實(shí)時(shí)監(jiān)測筒內(nèi)所處環(huán)境中的溫度、濕度、位置等信息，為筒內(nèi)批次化管理以及全壽命質(zhì)量健康管理提供了事實(shí)依據(jù)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

國內(nèi)外學(xué)者在對以往環(huán)境因素引發(fā)某航天產(chǎn)品武器故障的案例中統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：在淋雨、太陽輻射、風(fēng)、沙塵、溫度、濕度、振動、高度、微生物、電磁輻射等環(huán)境因數(shù)中，溫度、振動、濕度是引起某航天產(chǎn)品武器產(chǎn)生故障的主要因素，各主要環(huán)境因素引起某航天產(chǎn)品故障統(tǒng)計(jì)百分比如圖1所示[6]。

圖1 主要環(huán)境因素引起某航天產(chǎn)品故障統(tǒng)計(jì)百分比

在存儲時(shí)，溫度、濕度為引起某航天產(chǎn)品產(chǎn)生故障的主要因素[7]。對于筒內(nèi)這種具有保護(hù)層的某航天產(chǎn)品武器來說，筒體內(nèi)外的氣壓對保證某航天產(chǎn)品質(zhì)量起著舉足輕重的作用。針對洞庫存儲環(huán)境的特點(diǎn)以及存儲相關(guān)要求，以溫度、濕度、壓強(qiáng)為技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)監(jiān)測的系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，本監(jiān)測系統(tǒng)總體方案主要包括：無線溫濕壓傳感器、手持式終端。在數(shù)據(jù)傳輸方面采用基于NFC的無線通訊技術(shù)；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(nèi)置射頻收發(fā)器，負(fù)責(zé)傳感器測量數(shù)據(jù)的傳輸；系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理器轉(zhuǎn)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(bào)表，并完成異常狀態(tài)預(yù)警報(bào)警等功能。

圖2 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無線組網(wǎng)測試示意圖

為方便管理，每個(gè)洞庫設(shè)一個(gè)無線接收設(shè)備（手持式終端）、多個(gè)傳感器。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、容易創(chuàng)建、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種最常見的局域網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建方式[8]。綜合考慮，手持終端與傳感器之間采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無線組網(wǎng)。其組網(wǎng)測試示意圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

圖3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

3.1 綜合傳感單元設(shè)計(jì)

綜合傳感單元采用一體式復(fù)合設(shè)計(jì)，使用FPC微帶天線滿足產(chǎn)品一體化、小型化要求，采用內(nèi)置天線提高產(chǎn)品的整機(jī)防護(hù)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(diào)理電路。整體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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?shù)碾娦盘枺幚砗笸ㄟ^無線發(fā)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(zhuǎn)換成電壓信號后，經(jīng)變換器前級運(yùn)放調(diào)理，信號轉(zhuǎn)換為ADC可以測量的信號，然后送入ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量化值輸入MCU處理，后經(jīng)RF模塊將測量數(shù)據(jù)無線發(fā)射至無線信道中。電池輸出的電能經(jīng)LDO穩(wěn)壓處理后，給MCU及RF射頻電路供電，同時(shí)經(jīng)隔離模塊，給氣體敏感元件及模擬調(diào)理電路供電。

3.2 手持式終端設(shè)計(jì)

圖5 手持式終端電氣原理圖

根據(jù)溫濕壓無線測量、測試數(shù)據(jù)分析管理等要求，設(shè)計(jì)一款支持多功能擴(kuò)展、多功能組合的手持式終端，集RFID、GPS、攝像頭、串口、USB接口、網(wǎng)口、AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路、存儲單元、各種擴(kuò)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(kuò)展的無線收發(fā)器射頻單元，可實(shí)現(xiàn)與多只綜合傳感單元通信，完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)由手持式終端（觸摸屏）和無線通信單元組成。其數(shù)據(jù)處理及節(jié)點(diǎn)指令控制由手持式終端完成；無線通信單元負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)、指令的傳輸。

作為數(shù)據(jù)采集的主要節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)通過無線方式對子節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行控制，子節(jié)點(diǎn)將對應(yīng)的數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī)，上位機(jī)讀出處理并顯示、保存。

上位機(jī)軟件主要由以下幾個(gè)模塊組成：a.參數(shù)設(shè)置模塊；b.無線通信模塊；c.數(shù)據(jù)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(shè)置、查詢等單元；功能控制模塊主要完成網(wǎng)絡(luò)開關(guān)、數(shù)據(jù)采集模塊重啟等功能的控制。上位機(jī)軟件界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件界面

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)下位機(jī)程序使用C語言編寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、模塊初始化、參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)顯示（曲線繪制）、數(shù)據(jù)存儲等功能。

其中，USB接口、RS232接口模塊實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通信。

4.3 軟件可靠性設(shè)計(jì)

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

圖7 軟件可靠性設(shè)計(jì)模型

應(yīng)用程序分為管理員模式和用戶模式，每個(gè)模式有不同的權(quán)限對應(yīng)無線數(shù)據(jù)接收控制器的軟件設(shè)計(jì)，采取的可靠性設(shè)計(jì)方法：a.在無線控制器程序設(shè)計(jì)中，盡可能使各個(gè)功能子模塊獨(dú)立，降低程序的復(fù)雜程度，減少模塊之間未知的邊際效應(yīng)；b.優(yōu)化各處理器的程序結(jié)構(gòu)，減少不必要的嵌套；c.對于程序中關(guān)鍵的標(biāo)志位，采用恢復(fù)塊方法；d.在無線射頻通信程序中，利用糾錯(cuò)碼和CRC校驗(yàn)，提高無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)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(shí)時(shí)檢測和記錄筒內(nèi)溫度、氣壓、濕度和筒外溫度與氣壓環(huán)境值，并實(shí)時(shí)解算筒內(nèi)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(huán)境數(shù)字，并綜合分析形成報(bào)表。為驗(yàn)證本系統(tǒng)的實(shí)際功能，該系統(tǒng)于2020年2月實(shí)驗(yàn)。選用某型號產(chǎn)品為實(shí)驗(yàn)對象，以5min/次的采樣頻率，連續(xù)采樣2.5h，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為某廠房。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。對應(yīng)的曲線圖如圖9～圖11所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物組成圖

表1 實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)表

圖9 溫度、濕度折線圖

圖10 內(nèi)氣壓、外氣壓折線圖

圖11 壓差折線圖

6 結(jié)束語

針對筒內(nèi)存儲時(shí)環(huán)境特點(diǎn)，以氣壓、溫度、濕度等為監(jiān)測對象，設(shè)計(jì)了一種基于NFC技術(shù)的實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期要求，為筒內(nèi)的質(zhì)量保證提供了很好的監(jiān)測手段，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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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(jī)械制造及自動化專業(yè)；研究方向：航天產(chǎn)品總裝工藝研究。

2020-08-25