唐希浪，肖明清，宋海方，姚 鵬

(空軍工程大學 航空航天工程學院，陜西 西安710038)

0 引 言

軍用機場的后方倉庫擔負著武器、彈藥和裝備等各類軍品的保管任務，通常十分隱蔽，主要以洞庫、半地面庫和地面庫等形式存在。倉庫大多地處深山，環(huán)境比較惡劣，如晝夜溫差大、空氣潮濕、氣壓不穩(wěn)定等，這些環(huán)境因素可能導致武器裝備壽命縮短，甚至引發(fā)安全事故［1，2］，所以，對這些環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測具有重要的意義。然而，軍用機場的后方倉庫具有點多面廣、較分散、交通不便和人員少等特點，給環(huán)境監(jiān)測帶來了巨大的困難［3］。

目前，空軍部隊主要通過人工方式測量并記錄后方倉庫的環(huán)境參數(shù)，這不僅耗費大量人力物力，且歷史數(shù)據往往不能被很好地保存和利用［3］。鑒于此，某些空軍部隊采用了基于RS—485 總線的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［4］，可實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的自動測量和實時監(jiān)控，并具有報警功能，但這種監(jiān)測系統(tǒng)對于分布較散的軍用機場倉庫來說布線困難、成本高。近些年來，一種基于無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)的自組網溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)被某些空軍部隊采用［5］，克服了有線通信布線困難的缺點。但是該系統(tǒng)僅依靠“多級跳”的短距離無線通信方式，如需長距離組網，則需布局大量路由節(jié)點，不適合應用在深山倉庫的環(huán)境監(jiān)測上。

目前，大部分軍用機場的后方倉庫都已經組建了視頻監(jiān)控局域網［6］，如果環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的局域網，將節(jié)省大量的組網資金。與“多級跳”和ZigBee、藍牙等其他幾種無線通信方式相比，WiFi 傳輸速率更高、使用維護更方便，近幾年在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中得到了廣泛應用［7～9］。同時，WiFi 采用的IEEE 802.11b 無線網絡規(guī)范是IEEE 802.11 網絡規(guī)范的變種，非常方便與現(xiàn)有的視頻監(jiān)控局域網整合。本文設計了基于WSNs 的軍用機場倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，經測試滿足設計要求。

1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)在結構上主要包括傳感器節(jié)點、監(jiān)測中心和用戶終端三部分，如圖1 所示。傳感器節(jié)點負責獲取機場倉庫的環(huán)境參數(shù)，通常會集中在彈藥庫、軍械庫和油料庫等重點安全區(qū)域，它們在系統(tǒng)中處于被動的等待連接狀態(tài)，作為TCP Server 端。每個傳感器節(jié)點始終實時地采集數(shù)據，但并不會馬上將數(shù)據上傳，而是暫存在存儲卡中。監(jiān)測中心的服務器作為TCP Client 端，會周期性地主動連接傳感器節(jié)點并請求上傳數(shù)據，這時傳感器節(jié)點將最新的數(shù)據通過WiFi 上傳至服務器。監(jiān)測中心接收到數(shù)據后，對數(shù)據進行分析、處理、存儲和顯示。為了便于不同專業(yè)的工作人員可以非常方便地監(jiān)測自己專業(yè)所處的環(huán)境情況，監(jiān)測軟件采用了一種B/S(Browser/Server)結構，以Web應用程序的方式提供給用戶端。各專業(yè)分隊人員只需將安裝了瀏覽器的設備接入到監(jiān)測局域網，就可以實時監(jiān)視指定地點的環(huán)境情況。

圖1 系統(tǒng)總體結構Fig 1 System overall structure

2 傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點在組成上包括供電模塊、處理器模塊、SD卡存儲模塊、無線通信模塊、傳感器和信號調理模塊，其組成框圖如圖2 所示。

2.1 供電模塊

由于環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測位置分散，采用有線電源供給會造成大量浪費，所以，本文設計采用了5 V，18 000 mAh 的超大容量鋰電池進行供電。傳感器和信號調理模塊可直接采用5 V 供電，而STM32 需2 ～3.6 V 供電，WiFi 模塊需3.3 V供電。因此，本文設計采用了直流穩(wěn)壓芯片SPX1117，將5 V電壓轉換為穩(wěn)定的3.3 V。

圖2 傳感器節(jié)點硬件框圖Fig 2 Hardware block diagram of sensor node

2.2 無線通信模塊

HLK—WiFi—M03 是海凌科電子推出的全新的第三代嵌入式Uart—WiFi 模塊產品，它是基于Uart 接口的復合WiFi無線網絡標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協(xié)議IEEE 802.11 協(xié)議棧和TCP/IP 協(xié)議棧，能夠實現(xiàn)串口數(shù)據到無線網絡之間的轉換。HLK—WiFi—M03 模塊提供雙列直插8 針引腳，和STM32 的具體連線電路如圖3 所示。

2.3 處理器模塊

處理器采用STM32F103 增強型系單片機，它們使用高性能的ARM Cortex－M3 32 位的RISC 內核，具有功能齊全、成本低廉和功耗超低等特性，且擁有極高運算能力和中斷響應能力?？紤]到節(jié)約成本，選用了36 管腳封裝的微控制器STM32F103TB，主要接口電路如圖3 所示，圖中省略了STM32 的最小系統(tǒng)設計。

2.4 存儲模塊

存儲模塊采用通用的SD 卡，與STM32F103TB 之間使用SPI 總線進行通信。其電路設計如圖3 所示，PA4 作為SD 卡的選通信號。

圖3 存儲模塊和WiFi 模塊電路Fig 3 Saving module and WiFi module circuit

2.5 傳感器和信號調理模塊

本文僅給出溫度傳感器模塊的設計，其他傳感器模塊類似。該設計采用的溫度傳感器為LM35DZ，它可用于測量0 ～100 ℃的溫度，線性變化系數(shù)為+10 mV/℃，線性模擬信號輸出，可用于彈藥庫等室內溫度的監(jiān)控。

由于LM35DZ 輸出的范圍為0 ～1 V，而STM32 的AD采用3.3 V 的參考電壓，直接連接到STM32 的AD 通道會造成較大的誤差，輸出端需加入放大電路如圖4 所示，對信號進行調理后送入AD 通道，測量精度會更高，放大倍數(shù)可通過調節(jié)圖中的RW1 來調節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 傳感器節(jié)點軟件設計

圖4 信號調理電路Fig 4 Signal modulating circuit

傳感器節(jié)點在服務器請求訪問數(shù)據之前的軟件設計流程如圖5 所示。首先，軟件需要進行一系列的初始化，包括STM32 的時鐘配置和中斷配置，SPI，AD 和DMA 等外設配置，以及SD 卡初始化等。為了降低功耗，設計采用了DMA通道，A/D 轉換后的數(shù)據直接通過DMA 通道傳輸?shù)絊PI 的發(fā)送數(shù)據寄存器中，進而保存在SD 卡中，CPU 可處于睡眠模式。完成所有配置后啟動外設開始采集數(shù)據，并通過控制WiFi 模塊發(fā)起聯(lián)網操作，聯(lián)網成功后建立監(jiān)聽socket。CPU 完成所有的準備工作后，進入睡眠狀態(tài)，外設繼續(xù)運行。

圖5 傳感器節(jié)點軟件流程Fig 5 Sensor node software process

當服務器發(fā)起數(shù)據訪問請求時，串口會發(fā)生數(shù)據接收中斷，喚醒CPU，此后的軟件流程設計如圖6 所示。傳感器節(jié)點接收到完整的數(shù)據訪問請求指令后，先暫停AD 和DMA 等外設，避免造成SD 卡讀寫沖突，每次從SD 卡中取出最新的5 000 個數(shù)據，并通過WiFi 模塊發(fā)往服務器。當所有數(shù)據發(fā)送完畢后，斷開socket 連接，重新啟動AD 和DMA 等外設，CPU 再次進入睡眠模式。

3.2 監(jiān)測中心軟件設計

監(jiān)測中心作為后臺服務器，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部分，訪問傳感器節(jié)點獲取的環(huán)境數(shù)據，并對數(shù)據進行分析、處理、存儲和顯示。為了簡化監(jiān)測軟件的開發(fā)、維護和使用，軟 件 采 用 B/S 結 構［10］，基 于.NET Framework 和 NI Measurement Studio 設計，在Visual Studio 環(huán)境中編寫［11］。監(jiān)測服務器定時向傳感器節(jié)點發(fā)起數(shù)據訪問請求，并對數(shù)據進行處理、顯示和存儲，其邏輯流程如圖7 所示。對數(shù)據的處理和實現(xiàn)可以借助于NI Measurement Studio 提供的.NET控件，數(shù)據存儲使用SQL Server 數(shù)據庫，對數(shù)據庫的訪問使用ADO.NET 技術。

圖6 傳感器節(jié)點軟件流程圖Fig 6 Sensor node software process

圖7 監(jiān)測軟件流程圖Fig 7 Monitoring software process

監(jiān)測系統(tǒng)用戶終端界面如圖8 所示，用戶不需要特定的設備，只要設備能夠接入監(jiān)測局域網，就可以通過瀏覽器實時地監(jiān)視指定位置的環(huán)境參數(shù)，并且對系統(tǒng)進行管理。監(jiān)視界面簡單友好，且具有報警功能。

圖8 用戶終端Fig 8 User terminal

4 系統(tǒng)測試

為了測試系統(tǒng)的可用性和可靠性，在彈藥庫放置了3 個溫度傳感器節(jié)點、3 個濕度傳感器節(jié)點和3 個氣壓傳感器節(jié)點，以及用于人工測量的高精度溫度計、濕度計和氣壓計。每隔2 h 從監(jiān)測軟件中讀取一個樣本均值(3 個傳感器節(jié)點的平均值)，并與人工測量的數(shù)據進行比較，實驗時間為00:00 ～18:00，記錄結果如表1 所示。

表1 監(jiān)測樣本值Tab 1 Monitoring sample values

系統(tǒng)測量值和人工測量值之間的誤差圖如圖9 所示。誤差均在1.5%以內，表明終端的數(shù)據顯示能夠真實地反映彈藥庫的環(huán)境狀況。實驗還對丟包率進行了測試，結果顯示:傳感器節(jié)點的平均丟包率僅為0.02%，表明監(jiān)測服務器和傳感器節(jié)點能夠穩(wěn)定通信。

圖9 監(jiān)測誤差圖Fig 9 Monitoring error chart

5 結束語

本文將WiFiWSNs應用在軍用機場倉庫的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，與現(xiàn)有的視頻監(jiān)控局域網融合，解決了后方倉庫點多、面廣、較分散等特點給監(jiān)測系統(tǒng)帶來的組網難、成本高等問題。監(jiān)測軟件采用B/S 結構，工作人員只需將設備接入監(jiān)測局域網，就可以通過瀏覽器不限地點、不限時間、不限平臺地對機場環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)視，有效地保證了武器裝備的正常存儲。

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