基于物联网的飞机机电系统传感器检测平台设计

2019-04-28李燕南梁向东易向军杨定华

电子技术与软件工程 2019年3期

文/李燕南梁向东易向军杨定华

飞机机电系统中安装了多种传感器，种类繁多，且安装方式各不相同，在复杂的飞机机电系统调试环境下，针对传感器的测试非常不便。以前的检测方法是通过制作安装在工控机内的数据采集模块的转接电缆，再将其连接至传感器，制造的电缆非常长且需跟随设备移动，不易于携带，而且对于安装在飞机不利于连接部位的传感器也难于检测，给飞机故障定位带来极大的困扰。物联网技术能将感应器嵌入到各种物体中，然后与现有的互联网整合起来，通过中心计算机，方便实现人对整个物理系统的管控。为此，本文设计了一种基于虚拟仪器平台，运用物联网技术来采集传感器转换输出的电信号，利用无线网络或互联网，上传采集数据到便携式计算机或云平台，并对传感器输出数据进行采集、检测并诊断的检测设备。

1 系统设计

1.1 系统框图

物联网从技术层次上分为三个层次：感知层是由各传感器及网关构成，负责数据的采集；网络层由无线通信网、互联网构成，负责数据的传输处理；应用层是联系物联网与用户的接口，实现用户的需求。

基于物联网的飞机机电系统传感器检测平台设计包括：由传感器主体构成的感知层、由便携式计算机构成的应用层以及由无线网卡、无线以太网采集模块组成的网络层。USB转Wi-Fi信号的无线网卡通过USB口插在便携式计算机上，小型的电源模块给无线采集模块提供工作电源，通过无线网络将无线网卡与无线采集模块进行通讯连接。提供给各类传感器工作电压或恒流源。传感器的输出端通过其电连接器上的引线连接到无线采集模块的测试端。系统框图如图1所示。

图1：系统框图

图2：Modbus/TCP中ADU与PDU的关系

1.2 本平台各部分功能描述

1.2.1 感知层

飞机机电系统中传感器输出的一般为模拟信号，例如温度传感器、压力传感器、油量传感器、扭矩传感器、油位传感器等，其输出的信号有温度、压力、油量、扭矩、油位等，一般传感器具有线性特性，有的具有分段线性特性，例如温度传感器和油量传感器等，有的实际特性却是非线性曲线，线性特性的传感器按照线性规律，进行数学建模，输出按一定规律变换的电压信号，非线性特性的传感器采用最小二乘法进行数学建模。滑油温度传感器是以电阻形式输出，因此需给其提供稳定的恒流信号，转换为无线以太网采集模块方便采集的电压信号。由于飞机上选用的传感器均为传统类型的传感器，不具备无线传输功能，故本平台利用传感器上电连接器的引脚直接与无线以太网采集模块测试端相连。

1.2.2 网络层

无线网络是符合以太网的无线网络标准。在便携式计算机上的USB口插入USB转Wi-Fi的无线网卡，通过小型电源模块提供给无线以太网采集模块适当的工作电压，无线以太网采集模块工作正常后，无线网卡通过无线网络搜索到该无线采集模块，并进行连接。

1.2.3 应用层

应用层的报文传输服务是采用Modbus/TCP协议进行。Modbus 是一个主/从或客户端/服务器端架构的通讯协议。本平台的客户端为便携式计算机，服务器端为传感器。由客户端对无线采集模块采集到的数据进行判断、解析与处理，并与用户进行交互和显示。

客户端通过无线网络连接到服务器端，连接成功后，客户端通过给服务器端发送不同命令，服务器端执行相应的动作后，客户端进行查询并对接收到的服务器端响应的数据进行解析。本平台使用的无线以太网采集模块是选用研华公司的WISE-4012无线采集模块。

2 系统软件

2.1 Modbus/TCP协议

图3：客户端事务处理流程

Modbus 是一种通讯协议，是基于主站/从站或客户机/服务器方式连接设备，实现设备间的数据交换。Modbus 协议定义了PDU模型，即功能码+数据的格式。随着Modbus 协议不断扩展，串行链路、TCP/IP等关键技术已经引入到Modbus 应用协议中。Modbus与TCP/IP结合成为Modbus /TCP协议。Modbus/TCP协议是以一种简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，从而形成了一种工业以太网应用层协议。

TCP/IP上的Modbus应用单元包含MBAP(Modbus Application Header)报文头字段、功能码和数据域。Modbus TCP/IP服务器通常使用端口502作为接收报文的端口。同时，由于底层的TCP/IP协议确保了端到端的连接，而且TCP/IP链路层已确保传输数据的准确性，因此，Modbus/TCP协议不需要校验码功能。TCP/IP 上的Modbus 应用数据单元与协议数据单元关系如图2所示。

2.2 应用层协议的实现

本平台是基于Labwindows/CVI虚拟仪器平台进行软件开发，运用物联网的Modbus/TCP协议进行数据传输。

图4：软件测试界面

在Labwindows/CVI中与TCP服务器连接时，必须获得需要连接的服务器的相关信息。每个服务器在主机上都有唯一的端口号。任何一个客户端连接到服务器上之前，必须知道服务器端口号和IP地址。本平台主要为客户端应用程序，使用ConnectToTcpServer函数将客户程序连接至服务器端。连接成功后，方可进行后续TCP回调函数操作。本平台对客户端的基本事务处理流程如图3所示。首先是建立客户端与服务器端的连接，然后创建Modbus应用数据单元形成查询报文，客户端向服务器端发送报文，服务器端接收报文后，根据功能码做出相应动作，并将响应报文返回给客户端。客户端根据报文数据进行解析，同时将结果转化为十进制物理量进行显示或发送到云端。本平台本地数据不仅能够被用户访问读取，还能够被自动推送到云端。一旦数据达到上传标准，存储器将会把这些数据推送到公共云，比如百度或是Dropbox。

3 测试实例

本平台软件测试界面如图4所示。便携式计算机和无线以太网采集模块连接成功后，通过在界面中给不同传感器发送控制命令，产品自动完成相应动作。在整个系统运行过程中，需不断发出查询指令轮询无线采集模块的输入寄存器值，连接到不同地址的传感器动作后，无线采集模块将响应报文返回给便携式计算机，同时，计算机分析响应报文中获得的数据，然后将数据进行解析，完成采集的十六进制数据与十进制的转换后，得到实际采集数据的物理量。