鞠彥偉 陳 雷

（北京潤科通用技術(shù)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(fā)展以及電子化、智能化程度的日漸提高，系統(tǒng)的規(guī)模及復雜性與系統(tǒng)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(shù)隨之產(chǎn)生并蓬勃發(fā)展[1]。PHM技術(shù)在裝備維修、后勤保障領(lǐng)域發(fā)揮的作用與其廣闊的應用空間已經(jīng)在越來越多的西方軍事強國得到重視與推廣?；趥鞲衅鲬?、數(shù)據(jù)采集傳輸、大數(shù)據(jù)挖掘、信息重構(gòu)與信息融合技術(shù)以及健康評估與故障預測技術(shù)等，根據(jù)診斷或預測結(jié)論、資源具備狀態(tài)和任務需求為維修保障執(zhí)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(nèi)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(guān)注武器裝備所處環(huán)境對其健康的影響。

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

1.2 裝備環(huán)境影響分析

武器裝備在任務壽命周期內(nèi)，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(huán)境因素變化都會對裝備本身的功能性能產(chǎn)生影響，典型環(huán)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(guān)鍵的環(huán)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(gòu)成裝備的材料具有不同的線膨脹系數(shù)，隨溫度變化，材料發(fā)生形變，造成配合公差變化，結(jié)構(gòu)被破壞，而且非金屬材料中的易揮發(fā)物質(zhì)在高溫下易揮發(fā)，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(xiàn)銹蝕、腐蝕，電子器件（尤其是精密儀器）也會因腐蝕而出現(xiàn)性能下降或功能喪失的現(xiàn)象；非金屬材料更容易因濕度出現(xiàn)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(guān)注的因素；壓力與海拔有密切的關(guān)系，高海拔對武器裝備的影響主要表現(xiàn)為密封產(chǎn)品或器件內(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)失靈、機械裝置故障以及結(jié)構(gòu)損傷等問題。

綜上所述，對裝備所經(jīng)歷的環(huán)境剖面進行實時監(jiān)測是武器裝備健康管理的一個必不可少的關(guān)鍵步驟。

2 裝備健康環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)整體方案

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要是對貯存、運輸?shù)葪l件下裝備的環(huán)境參數(shù)進行采集、存儲和記錄，并通過無線方式將數(shù)據(jù)回傳至中央計算機，積累數(shù)據(jù)，形成裝備的壽命數(shù)據(jù)履歷檔案，為健康管理提供保養(yǎng)、維修與狀態(tài)監(jiān)測的有效數(shù)據(jù)依據(jù)。

系統(tǒng)由手持機加載數(shù)據(jù)采集軟件以及無線適配器中轉(zhuǎn)回傳環(huán)境監(jiān)測裝備采集到的數(shù)據(jù)，完成對環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖

手持機主要是在運輸過程中完成巡檢采集與參數(shù)配置等工作?？蓪⒉杉降膮?shù)顯示在手持機的屏幕上。

無線適配器是無線接收端，完成環(huán)境監(jiān)測裝置無線網(wǎng)絡的建立，最終通過以太網(wǎng)將無線接收到的環(huán)境監(jiān)測裝置報文轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集計算機。

數(shù)據(jù)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(huán)境監(jiān)測裝置進行通信，可實現(xiàn)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)讀取、時間校準以及歷史數(shù)據(jù)讀取等功能，并將讀取的數(shù)據(jù)存儲在計算機的數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)進行有效地管理、數(shù)據(jù)繪圖顯示以及數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計等功能。

2.2 無線組網(wǎng)方案

為提高并兼顧通信速率及傳輸可靠性，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)選擇了無線星形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，通過無線適配器與環(huán)境監(jiān)測裝置直接連接，降低了無線通信的網(wǎng)絡時延，在保證數(shù)據(jù)高效傳輸性的同時，還可以提高信道的數(shù)據(jù)吞吐量。

一個網(wǎng)絡系統(tǒng)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(huán)境監(jiān)測裝置，因此網(wǎng)絡規(guī)?？蛇_2 048個，完全可以滿足大規(guī)模組網(wǎng)的要求，并且具有較大的冗余量。同時，每個環(huán)境監(jiān)測裝置與每臺加載裝備一一配裝，通過環(huán)境監(jiān)測裝置的64位唯一地址編號建立對應表格，實現(xiàn)對裝備環(huán)境狀態(tài)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(huán)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(zhí)行對數(shù)據(jù)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(fā)送方，如果發(fā)送方?jīng)]有收到應答幀，可按照設計的次數(shù)進行重復發(fā)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(tǒng)應用

該文介紹的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可應用于裝備的本體或包裝箱監(jiān)測，已實現(xiàn)的參數(shù)監(jiān)測包括溫度、濕度、壓力以及振動。

3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1 環(huán)境監(jiān)測裝置

環(huán)境監(jiān)測裝置從結(jié)構(gòu)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(huán)境監(jiān)測裝置組成示意圖

電池倉實現(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)設計的形式，縮短相關(guān)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(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)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(tǒng)采用電池供電，供電電壓的范圍為6 V～10 V，轉(zhuǎn)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(guān)，同時實現(xiàn)對電池組進行短路保護等功能，是實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗的重點設計點。電源模塊的供電架構(gòu)示意如圖3所示，功能電路通斷電開關(guān)設置與主功能分解相對應，在低功耗管控狀態(tài)下，保證各功能的正常執(zhí)行。

圖3 供電架構(gòu)示意圖

圍繞實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，環(huán)境監(jiān)測裝置劃分為3種工作模式，分別為待機模式、定時觸發(fā)模式及閾值觸發(fā)模式。

在待機模式下，環(huán)境監(jiān)測裝置處于低功耗待機狀態(tài)，傳感器處于休眠狀態(tài)；在定時觸發(fā)模式下，傳感器參數(shù)的采集是基于設置時間而執(zhí)行的，按照設置的時間長度，定時啟動溫濕及壓力傳感器，執(zhí)行對數(shù)據(jù)的采集及存儲；閾值觸發(fā)模式主要是面向加速度傳感器監(jiān)測到振動幅值超過預設的閾值，從而自動進入工作狀態(tài)。工作模式的劃分主要是圍繞參數(shù)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(huán)境監(jiān)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(nèi)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(gòu)的NANDFLASH芯片可進行高速讀寫并且其數(shù)據(jù)的可靠性很高，可以用于對大容量數(shù)據(jù)的存儲，包括存儲溫濕壓以及振動數(shù)據(jù)。F-RAM鐵電存儲器用于保存相關(guān)的配置項，包括采集周期、觸發(fā)閾值及校準參數(shù)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(shù)據(jù)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(huán)境監(jiān)測裝置通過無線進行通信，可以實現(xiàn)實時讀取環(huán)境監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)、配置環(huán)境監(jiān)測裝置的參數(shù)、時間校準以及讀取設備內(nèi)存儲的歷史數(shù)據(jù)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(wǎng)/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(huán)境大氣壓力，協(xié)同環(huán)境監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)一起通過以太網(wǎng)/UART模塊將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集計算機。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 環(huán)境監(jiān)測裝置軟件設計

環(huán)境監(jiān)測裝置系統(tǒng)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(qū)動層、通信層、通用層、服務層、應用層和任務調(diào)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(xiàn)故障時能夠及時、準確地確定系統(tǒng)狀態(tài)并隔離相應故障軟件模塊。

MCU固件層包括所有MCU軟件驅(qū)動和硬件資源，其他層調(diào)用該層函數(shù)進行硬件資源配置及控制；驅(qū)動層調(diào)用MCU固件實現(xiàn)外圍芯片驅(qū)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(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)和狀態(tài)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(chǎn)品信息模塊，實現(xiàn)濾波和查詢產(chǎn)品信息的功能；服務層實現(xiàn)電源狀態(tài)采集及控制、休眠喚醒功能、NandFlash數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集邏輯控制和數(shù)據(jù)存取邏輯控制等；任務調(diào)用層根據(jù)配置的循環(huán)調(diào)度周期和優(yōu)先級調(diào)用處理不同的任務。

4.2 數(shù)據(jù)采集分析軟件設計

數(shù)據(jù)采集分析軟件是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的信息中樞，有效地對所有環(huán)境監(jiān)測裝置進行監(jiān)測與管理，并實時獲取環(huán)境監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)，通過分析武器裝備所經(jīng)歷的環(huán)境參數(shù)，以實現(xiàn)對其健康狀態(tài)的評估和危險狀態(tài)的報警。軟件功能項包括用戶管理、數(shù)據(jù)讀取直至數(shù)據(jù)分析等各子條目，軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集計算機軟件架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集分析軟件作為人機交互界面，具有管理全部用戶數(shù)據(jù)的權(quán)限。軟件具有數(shù)據(jù)交互、設備配置、實時監(jiān)測報警、數(shù)據(jù)庫存儲和管理、數(shù)據(jù)時域繪圖、數(shù)據(jù)頻譜分析、數(shù)據(jù)條件統(tǒng)計查詢以及數(shù)據(jù)導出等功能。

5 結(jié)論

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)預處理技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，實現(xiàn)了對裝備環(huán)境剖面的狀態(tài)監(jiān)測功能。環(huán)境監(jiān)測裝置采集存儲的環(huán)境數(shù)據(jù)能夠反映貯存、運輸、試驗以及使用過程中裝備所經(jīng)歷的環(huán)境剖面，而且通過環(huán)境數(shù)據(jù)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(guī)范的制定、裝備的設計研發(fā)以及裝備升級提供有力的數(shù)據(jù)支持。