樊英平，吳　凱，張庭瑜，梁　彬

(1.中國(guó)人民解放軍69079部隊(duì), 烏魯木齊　830013; 2. 中國(guó)人民解放軍474醫(yī)院,

烏魯木齊　830013; 3.空軍招飛局選拔中心, 蘭州　730020)

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基于LabVIEW的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊英平1，吳凱2，張庭瑜3，梁彬1

(1.中國(guó)人民解放軍69079部隊(duì), 烏魯木齊830013; 2. 中國(guó)人民解放軍474醫(yī)院,

烏魯木齊830013; 3.空軍招飛局選拔中心, 蘭州730020)

摘要:混沌序列用于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，具有碼元豐富、保密性好的優(yōu)點(diǎn)。理論分析了Logistic 混沌系統(tǒng)的定義、敏感性、李雅普諾夫指數(shù)以及相關(guān)性之后，采用Logistic 混沌序列進(jìn)行圖像加 密，并通過(guò)仿真和FPGA 硬件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了算法的可行性。結(jié)果表明該加密系統(tǒng)抗攻擊性強(qiáng)，并且 能夠無(wú)失真的恢復(fù)原始圖像。此外，本文提出的FPGA 硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)具有體積小、功耗低、圖像保 密性好的特性。

關(guān)鍵詞:Logistic 混沌映射; 圖像加密系統(tǒng); FPGA

0引言

目前，大部分的測(cè)量與控制系統(tǒng)是基于靜態(tài)使用和有線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)的[1-2]，對(duì)于在野外條件下的遠(yuǎn)距離測(cè)控，存在笨重、 展開(kāi)困難、 接口眾多、 可靠性差等缺點(diǎn)。 雖然也有個(gè)別無(wú)線(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)[3]，但由于這些系統(tǒng)采用近距離無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)，一旦距離超過(guò)百米，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛿?shù)據(jù)的安全性都不能保證。 鑒于此，本文提出并設(shè)計(jì)了一個(gè)在野外動(dòng)態(tài)條件下能快速展開(kāi)和部署的系統(tǒng)平臺(tái)，該系統(tǒng)平臺(tái)可在短時(shí)間內(nèi)，利用傳感器或測(cè)量?jī)x器對(duì)一定范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確、 可靠地測(cè)量與控制，并保證測(cè)量數(shù)據(jù)的安全。

1硬件設(shè)計(jì)

硬件部分總體框圖見(jiàn)圖1。

圖1無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，硬件部分主要由無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊、 終端控制模塊(含遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信模塊)以及測(cè)控中心三部分組成。 其中，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊用來(lái)采集信號(hào)(模擬、 數(shù)字及元器件參數(shù))，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到終端控制模塊。 終端控制模塊起橋接作用，作為各個(gè)采集模塊的匯聚中心，將測(cè)控中心的命令傳送到無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊，將分散的各個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)匯總后，發(fā)送到測(cè)控中心。 測(cè)控中心是整個(gè)平臺(tái)的控制中心，是人機(jī)交互的部分，負(fù)責(zé)發(fā)送采集命令和顯示、 分析、 存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。

1.1無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊

無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)靈活可變，可分為兩種類(lèi)型： 一種是由測(cè)量?jī)x器、 WIFI模塊(含電池)組成； 一種是由傳感器(電壓、 電流、 壓力、 溫度等)、 MCU、 WIFI模塊組成。 對(duì)于前一種結(jié)構(gòu)，本文給出示波器與WIFI組成的采集模塊方案； 對(duì)于后一種結(jié)構(gòu)，本文給出電壓采集的模塊方案。 兩種方案中，WIFI模塊都工作于TCP client模式。

1.2終端控制模塊

終端控制模塊由遠(yuǎn)程通信模塊、 路由器、 嵌入式工控機(jī)、 WIFI模塊等組成。 遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信模塊與測(cè)控中心的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信模塊共同組成遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，保障測(cè)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。 模塊可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)連接，滿(mǎn)足3～20 km的無(wú)線(xiàn)傳輸要求。

路由器可以將多個(gè)遠(yuǎn)程通信模塊接入測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，從而組成更大的測(cè)控平臺(tái)。

嵌入式工控機(jī)具有網(wǎng)絡(luò)接口和串口，能將遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與近距離WIFI模塊連接在一起，將從近距離無(wú)線(xiàn)模塊得到的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送到測(cè)控中心。

WIFI模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的工作模式不同，工作在TCP server模式，與各個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端(TCP client模式)進(jìn)行通信, 起到了匯聚作用。

1.3測(cè)控中心

測(cè)控中心由工控機(jī)、 路由器、 遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信模塊和顯示器等組成，是軟件的載體。 工控機(jī)用來(lái)運(yùn)行軟件； 路由器將多個(gè)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信模塊接入網(wǎng)絡(luò)； 顯示器用于人機(jī)交互。

2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，包含對(duì)示波器、 數(shù)字表等儀器的編程控制以及加密模塊的算法設(shè)計(jì)，用LabVIEW編寫(xiě)，系統(tǒng)主界面見(jiàn)圖2。 圖2中，左邊是示波器區(qū)，含有波形顯示、 狀態(tài)顯示和控制命令輸入控件； 右邊是數(shù)字表區(qū)，含有測(cè)量值顯示、 測(cè)量類(lèi)型、 測(cè)量量程及對(duì)應(yīng)的各種狀態(tài)。

軟件按功能可分為示波器控制模塊、 數(shù)字表控制模塊和加解密模塊三個(gè)模塊。

圖2系統(tǒng)主界面

2.1示波器控制模塊設(shè)計(jì)

為便于系統(tǒng)的擴(kuò)展與維護(hù)，將示波器控制模塊按照四個(gè)層次進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3中需要編寫(xiě)代碼的有應(yīng)用層和支持層。 應(yīng)用層處于最上層，提供人機(jī)交互界面； 支持層為第二層，此層根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能共設(shè)計(jì)了8個(gè)子模塊，用來(lái)對(duì)應(yīng)用層提供支持和調(diào)用； 第三層為命令層，為支持層提供服務(wù)； 最下面為硬件層，也就是示波器的測(cè)量硬件。 由于示波器控制的子模塊較多，此處不再贅述。

圖3示波器控制模塊層次圖

2.2數(shù)字表控制模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字表的測(cè)量思路是先讀取相應(yīng)的功能字，從功能字中提取電壓代碼，再?gòu)臓顟B(tài)字中判斷是交流測(cè)量還是直流測(cè)量，接著判斷測(cè)量模式。 如果是手動(dòng)模式，根據(jù)量程計(jì)算出相應(yīng)的測(cè)量值，并進(jìn)行顯示； 若是自動(dòng)模式，則直接讀取測(cè)量值顯示。

2.3加解密模塊設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)是在野外條件下用無(wú)線(xiàn)進(jìn)行傳輸，信號(hào)容易泄露，考慮到數(shù)據(jù)的安全性，同時(shí)還要滿(mǎn)足測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，選擇logistic映射對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了混沌加密[4-7]處理。 通過(guò)改變初值，生成不同的隨機(jī)序列，并將循環(huán)100次后的序列作為密鑰，使用此密鑰與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)加密和解密。

示波器波形矢量數(shù)據(jù)的加密步驟如下：

(1) 確定參數(shù)與初始值： 選擇系統(tǒng)當(dāng)前日期為初始變量，如2015年8月15日，則選擇 0.201 581 5為初始變量，參數(shù)u=3.6，通信雙方按相同的規(guī)定取值；

(2) 生成密鑰： 根據(jù)波形數(shù)據(jù)的數(shù)量確定logistic映射循環(huán)次數(shù)，此處取2 500，然后取出相同數(shù)量的隨機(jī)數(shù)，即2 500個(gè)隨機(jī)數(shù)作為密鑰；

(3) 加密： 將密鑰與波形數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算，生成加密數(shù)據(jù)；

(4) 發(fā)送加密后的數(shù)據(jù)。

解密步驟前兩步與加密步驟相同，第三步是將密鑰與加密數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算，得到原始數(shù)據(jù)。 其他數(shù)據(jù)加密方式與此相同。

3測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在野外使用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)控中心與終端控制模塊距離4 km左右，測(cè)控中心使用全向天線(xiàn)，終端控制模塊使用定向天線(xiàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下文。

3.1示波器測(cè)量實(shí)驗(yàn)

用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊連接示波器，分別對(duì)頻率為1 kHz、 幅值為5 V的方波及頻率為50 Hz、 幅值為150 V的正弦波進(jìn)行測(cè)量，探頭放大倍數(shù)為10X，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4～5。

圖4為對(duì)方波測(cè)量的結(jié)果，圖5為對(duì)正弦波測(cè)量的結(jié)果。 可以看出，對(duì)示波器的控制和測(cè)量是正確的，得到的波形也是準(zhǔn)確的。

圖4　方波測(cè)量圖

圖5正弦波測(cè)量圖

3.2混沌加密、 解密實(shí)驗(yàn)

對(duì)圖4所示的波形數(shù)據(jù)的加密、 解密實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～7所示。

圖6　加密后方波圖

圖7解密后方波圖

圖6為加密后數(shù)據(jù)，圖7為解密后的數(shù)據(jù)。 從圖6～7可以看出，頻率為1 kHz、 幅值為5 V的方波經(jīng)過(guò)加密后，幅值已經(jīng)完全沒(méi)有規(guī)律，無(wú)法推測(cè)出具體的值，解密后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相同，滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)安全的要求。

4結(jié)論

為滿(mǎn)足野外條件下的快速測(cè)量需要，本文提出并設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于嵌入式工控機(jī)、 單片機(jī)、 遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)數(shù)字微波等模塊，用LABVIEW編寫(xiě)了軟件平臺(tái)。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該系統(tǒng)具有展開(kāi)迅速、 測(cè)量準(zhǔn)確、 數(shù)據(jù)安全等特點(diǎn)，滿(mǎn)足了特殊條件下的測(cè)控要求。

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Design of Wireless Network Measurement and Control System Based on LabVIEW

Fan Yingping1, Wu Kai2, Zhang Tingyu3, Liang Bin1

(1.Unit 69079 of PLA, Urumqi 830013, China； 2. Unit 474 Hospital of PLA, Urumqi 830013, China;3. The Air Force Pilot Selection Center, Lanzhou 730020,China)

Abstract:To solve the problems of remote measurement and control under the field condition,a wireless network measurement and control system architectrue is supposed, and the related hardware is designed. The module of measurement and control and the module of chaotic encryption algorithm are realized by code. The test results show that compared with related measurement and control system，it has the advantages of rapid expansion under field conditions, far transmission distance, increasing control node at will, simple operation, accurate and rapid measurement, data transmission security. The requirements for measurement and control under special conditions can be met.

Key words:LabVIEW; wireless measurement and control; network measurement and control; chaotic encryption

中圖分類(lèi)號(hào):TP309． 7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1673-5048( 2016) 02-0056-05

作者簡(jiǎn)介：樊英平(1974-)，男，山西運(yùn)城人，博士，工程師，主要從事導(dǎo)航制導(dǎo)與控制方面的研究。

收稿日期：2015-09-06

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.02.015