基于NFC技术的筒内环境监测系统设计

孙晓凤 周思浩 邵俊飞 张国军 潘晓青

基于NFC技术的筒内环境监测系统设计

孙晓凤 周思浩 邵俊飞 张国军 潘晓青

（上海航天精密机械研究所，上海 201600）

针对某航天产品在存储时环境因素无法实时监测进而无法保证产品质量的缺点，以筒内为研究对象，基于NFC技术，因设计一种能实时监测筒内存储环境的系统。试验结果表明：该系统能实时监测筒内所处环境中的温度、湿度、气压等信息，工作稳定，具有很好的应用价值。

筒内产品；环境监测；NFC技术；产品质量

1 引言

随着科技的飞速发展，各国的武器装备都取得了长足发展。然而武器装备在存储、使用过程中，由于环境原因造成战斗力下降的例子数不胜数，带来了巨大的损失。美国国防部于20世纪60年代进行调查研究，发现：在造成武器装备损坏的几大因素中，环境因数占50%以上，超过了作战损坏；而在库存期，环境因素占据60%[1]。可以说，良好的环境适应性已成为提高武器装备质量的重要因素之一，对战争的成败起关键性作用[2～4]。

针对某航天产品武器系统，尤其是筒内武器存储环境的特点，设计了一种实时监测筒内存储环境的系统。本监测系统采用NFC近场通讯技术无线传输，可以在较低的发送功率下获得较远的传送距离，提高了覆盖面积；同时其较高的接收灵敏度使其具备更强的弱信号捕捉能力，保证了在较远接收距离的连接稳定性，适用于库房环境的数据采集与传输[5]。

通过实验证明：该系统工作稳定，能实时监测筒内所处环境中的温度、湿度、位置等信息，为筒内批次化管理以及全寿命质量健康管理提供了事实依据，具有很好的应用价值。

2 总体结构设计

2.1 设计原则

国内外学者在对以往环境因素引发某航天产品武器故障的案例中统计分析发现：在淋雨、太阳辐射、风、沙尘、温度、湿度、振动、高度、微生物、电磁辐射等环境因数中，温度、振动、湿度是引起某航天产品武器产生故障的主要因素，各主要环境因素引起某航天产品故障统计百分比如图1所示[6]。

图1 主要环境因素引起某航天产品故障统计百分比

在存储时，温度、湿度为引起某航天产品产生故障的主要因素[7]。对于筒内这种具有保护层的某航天产品武器来说，筒体内外的气压对保证某航天产品质量起着举足轻重的作用。针对洞库存储环境的特点以及存储相关要求，以温度、湿度、压强为技术指标，设计一种实时监测的系统。

2.2 系统总体设计

根据设计原则，本监测系统总体方案主要包括：无线温湿压传感器、手持式终端。在数据传输方面采用基于NFC的无线通讯技术；无线传感器敏感体采用高度集成的MEMS传感敏感单元，传感器内置射频收发器，负责传感器测量数据的传输；系统采集的数据，经处理器转换处理、加密后无线传输至手持式终端，在手持式终端中处理、显示、存储、生成报表，并完成异常状态预警报警等功能。

图2 星型拓扑结构无线组网测试示意图

为方便管理，每个洞库设一个无线接收设备（手持式终端）、多个传感器。星型拓扑结构具有结构简单、容易创建、管理方便等优点，是一种最常见的局域网络创建方式[8]。综合考虑，手持终端与传感器之间采用星型拓扑结构无线组网。其组网测试示意图如图2所示。

3 系统硬件设计

本监测系统硬件主要包括：综合传感单元、手持式终端等。系统组成框图如图3所示。

图3 环境监测系统组成框图

3.1 综合传感单元设计

综合传感单元采用一体式复合设计，使用FPC微带天线满足产品一体化、小型化要求，采用内置天线提高产品的整机防护性能、可靠性和信号覆盖性，其组成如图4所示。该模块包含了温湿压敏感单元、电源单元、调理电路。整体结构由敏感头腔、电气腔、电池腔三大部分组成。其中，敏感头为温湿压集成MEMS芯片，完成信号的敏感获取及电信号的转换；电气腔安装无线变换器、接收天线电路板，接收敏感头传输的电信号，处理后通过无线发送。

图4 综合传感单元组成框图

电路工作过程：温湿压组合敏感头将被测的温度、湿度、压力信号转换成电压信号后，经变换器前级运放调理，信号转换为ADC可以测量的信号，然后送入ADC转换，转换后的数字量化值输入MCU处理，后经RF模块将测量数据无线发射至无线信道中。电池输出的电能经LDO稳压处理后，给MCU及RF射频电路供电，同时经隔离模块，给气体敏感元件及模拟调理电路供电。

3.2 手持式终端设计

图5 手持式终端电气原理图

根据温湿压无线测量、测试数据分析管理等要求，设计一款支持多功能扩展、多功能组合的手持式终端，集RFID、GPS、摄像头、串口、USB接口、网口、AD转换、RS232接口等多种单元为一体。主要由主处理器、电阻式触摸屏、电池、充电管理电路、电源转换电路、存储单元、各种扩展接口、无线射频单元、10芯航插组成。其电气原理如图5所示。

手持式终端通过扩展的无线收发器射频单元，可实现与多只综合传感单元通信，完成数据的无线采集及管理。配套有完善的采集、显示、查询软件，可读取、显示、保存、查询无线传感器的测量数据。

4 系统软件设计

4.1 上位机软件设计

本系统上位机由手持式终端（触摸屏）和无线通信单元组成。其数据处理及节点指令控制由手持式终端完成；无线通信单元负责完成数据、指令的传输。

作为数据采集的主要节点，上位机通过无线方式对子节点（数据采集节点）进行控制，子节点将对应的数据回传至上位机，上位机读出处理并显示、保存。

上位机软件主要由以下几个模块组成：a.参数设置模块；b.无线通信模块；c.数据接收、显示模块；d.功能控制模块。其中，无线通信模块分为通信检测、接口设置、查询等单元；功能控制模块主要完成网络开关、数据采集模块重启等功能的控制。上位机软件界面如图6所示。

图6 上位机软件界面

4.2 下位机软件设计

本系统下位机程序使用C语言编写，实现数据采集、数据传输、模块初始化、参数设计、数据显示（曲线绘制）、数据存储等功能。

其中，USB接口、RS232接口模块实现子节点与上位机之间的通信。

4.3 软件可靠性设计

考虑到可靠性，在设计过程中通过必要的措施避免引起失效的缺陷。其可靠性设计模型如图7所示。

图7 软件可靠性设计模型

应用程序分为管理员模式和用户模式，每个模式有不同的权限对应无线数据接收控制器的软件设计，采取的可靠性设计方法：a.在无线控制器程序设计中，尽可能使各个功能子模块独立，降低程序的复杂程度，减少模块之间未知的边际效应；b.优化各处理器的程序结构，减少不必要的嵌套；c.对于程序中关键的标志位，采用恢复块方法；d.在无线射频通信程序中，利用纠错码和CRC校验，提高无线数据传输的可靠性。

5 实验验证

监测系统实物外形见图8。由手持式管理终端及温湿压传感器组成。温湿压传感器单元采用电池供电，便于携带。其中，温湿压传感器用于实时检测和记录筒内温度、气压、湿度和筒外温度与气压环境值，并实时解算筒内外压差等；手持式管理终端用于读取、显示、存储、管理气压、温度、湿度等环境数字，并综合分析形成报表。为验证本系统的实际功能，该系统于2020年2月实验。选用某型号产品为实验对象，以5min/次的采样频率，连续采样2.5h，实验地点为某厂房。实验数据如表1所示。对应的曲线图如图9～图11所示。实验结果显示，各项性能满足设计要求。

图8 监测系统实物组成图

表1 实验采集数据表

图9 温度、湿度折线图

图10 内气压、外气压折线图

图11 压差折线图

6 结束语

针对筒内存储时环境特点，以气压、温度、湿度等为监测对象，设计了一种基于NFC技术的实时环境监测系统。通过实验验证，该系统工作稳定，达到了预期要求，为筒内的质量保证提供了很好的监测手段，具有较好的应用价值。

1 文邦伟，胥泽奇. 外军装备环境适应性典型案例[J]. 装备环境工程，2005，2(3)：85～87

2 陈爱苗，路永. 静电对某航天产品的危害及防护[J]. 硅谷，2012(2)：181

3 吴勋，周巍. 某航天产品武器系统开展环境适应性研究的思考[J]. 装备环境工程，2005，2(2)：81～85

4 吴勋，孟涛. 地地某航天产品环境适应性分析[J]. 装备环境工程，2006，3(1)：30～36

5 张平，曹翔，施东伟，等. 一种基于Sub-1GHz的多信道光伏子阵无线组网技术[J]. 电力信息与通信技术，2017，15(11)：83～88

6 王威，张多林. 温度因素对地空某航天产品武器装备的影响与相关防护研究[J]. 装备环境工程，2006，3(6)：41～44

7 张仕念，吴勋，颜诗源，等. 贮存使用环境对某航天产品性能的影响机理[J]. 装备环境工程，2014，11(5)：17～22，53

8 关凯元，夏静. 基于星型拓扑网络结构的无线数据采集系统[J]. 电子设计工程，2018，26(11)：170～173

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 canʼt be monitored in real time, and thus the product quality canʼt 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

孙晓凤（1981），硕士，机械制造及自动化专业；研究方向：航天产品总装工艺研究。

2020-08-25