基于ZigBee技術(shù)的飛行保障工具管理系統(tǒng)

摘要 為了實現(xiàn)航空兵部隊日常飛行保障中對維護工具進行遠程實時精確管理的目的，設(shè)計了一套基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和條碼技術(shù)的工具實時管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)控端3部分組成。系統(tǒng)完成了條碼槍對工具條形碼的采集和無線傳感網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)的傳輸，PC端建立數(shù)據(jù)庫和上位機應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和人機交互。此外系統(tǒng)還實現(xiàn)了對維護現(xiàn)場工具的實時管理，提高了工作效率，杜絕了人為差錯的發(fā)生，對飛行安全保障具有重要意義。

在航空兵部隊飛行保障中，對工具的管理非常重要，嚴防將維護工具遺漏在飛機內(nèi)部，對飛行安全保障十分關(guān)鍵。每架飛機所對應(yīng)的工具都是獨一無二的，工具箱跟隨飛機的位置移動，目前是人工對工具箱中的工具數(shù)量和種類進行清點確認，在保證數(shù)量和種類準確無誤的情況下才能對飛機進行相關(guān)作業(yè)。現(xiàn)有工作模式由于工具種類繁多，人工效率低下且存在人為誤判的情況，這將對飛行安全造成嚴重隱患;同時每天需要去工具房借還工具，工作量較大。為解決上述問題，本文設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠程工具管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了通過條碼槍對工具出入工具箱條形碼的數(shù)據(jù)采集，并通過建立ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)將條形碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端數(shù)據(jù)庫，在PC端進行數(shù)據(jù)處理，通過可視化界面對處理結(jié)果進行顯示，并將每個工具箱的數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)回現(xiàn)場終端設(shè)備顯示，實現(xiàn)遠程對每架飛機工具的精確、實時管理，并將結(jié)果反饋給現(xiàn)場工作人員，實現(xiàn)了各類人員對數(shù)據(jù)的共享。本系統(tǒng)有效地解決了現(xiàn)有工作模式下監(jiān)管不到位、存在人為差錯隱患、工作程序繁瑣的弊端;既保證了安全又提高了工作效率，對探索飛行安全保障模式具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)功能主要分為3部分：(1)實現(xiàn)單個工具箱(ZigBee終端節(jié)點)的工具出庫入庫時工具條形碼的采集。(2)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立，將各終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)實時上傳到協(xié)調(diào)器點，并進行協(xié)調(diào)器點和終端節(jié)點的數(shù)據(jù)交換。(3)在PC端，通過RS232串口接收協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過建立的數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對處理結(jié)果的可視化顯示并將處理結(jié)果反饋給各個終端節(jié)點。

整個工具管理系統(tǒng)的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點、匯聚節(jié)點、監(jiān)控中心組成。系統(tǒng)采用Z—Stack協(xié)議構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò);各個終端節(jié)點分別執(zhí)行工具條碼的采集、信息的處理和數(shù)據(jù)的傳輸;匯聚節(jié)點包括路由器和協(xié)調(diào)器，路由器負責數(shù)據(jù)的收集與轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，主要負責網(wǎng)絡(luò)組建、維護、控制終端節(jié)點的加入，通過RS232串口與監(jiān)控主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互;在監(jiān)控中心通過建立數(shù)據(jù)庫并對數(shù)據(jù)進行處理從而實時管理整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)各終端節(jié)點的工具運轉(zhuǎn)。在ZigBee協(xié)議的3種拓撲結(jié)構(gòu)中，本文選用樹形網(wǎng)絡(luò)，樹形網(wǎng)絡(luò)比最簡單的星形網(wǎng)絡(luò)拓撲網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，同時比網(wǎng)狀拓撲所需資源小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計主要包括終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計。終端節(jié)點主要負責工具條碼數(shù)據(jù)的出入庫管理、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收等任務(wù)，并能以自組織的方式加入網(wǎng)絡(luò)，是整個硬件的核心;而匯聚節(jié)點包括路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由器節(jié)點主要負責數(shù)據(jù)的路由;協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負責和PC端上位機程序的數(shù)據(jù)通信，接收路由器的數(shù)據(jù)通過串口輸出到PC機，通過串口接收PC端處理后的數(shù)據(jù)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€終端節(jié)點，同時負責無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護。

系統(tǒng)的終端節(jié)點由CC2530核心模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、狀態(tài)顯示模塊和按鍵模塊組成。終端節(jié)點的硬件框圖如圖2所示。

2.1 CC2530核心模塊電路

CC2530芯片是ZigBee新一代SoC芯片片上系統(tǒng)解決方案，其能夠以較低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530集成了RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的8051MCU，可編程Flash存儲器，8 kB RAM等。圖3所示為CC2530核心電路圖，主要包括電源電路部分、晶振電路和射頻電路3部分。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊電路

在終端節(jié)點中，條形碼掃描槍負責對工具條形碼出入工具箱的數(shù)據(jù)進行采集，通過RS232串口通信將數(shù)據(jù)傳輸給CC2530，CC2530模塊再將條碼數(shù)據(jù)進行處理后通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機。圖4為系統(tǒng)的USB轉(zhuǎn)串口電路圖。

2.3 狀態(tài)顯示模塊電路

液晶屏采用LCD1602，具有標準的16腳接口，可顯示漢字、英文和圖形。常用的指令集有：清屏指令、輸入方式設(shè)置指令、顯示開關(guān)控制指令、光標位移指令、功能設(shè)置指令、寫數(shù)據(jù)指令等。液晶屏用于顯示工具狀態(tài)信息，工具全部歸還時顯示為OK，工具缺失是現(xiàn)實缺失的數(shù)量和工具代碼。液晶屏電路如圖5所示。

LED用于系統(tǒng)的工作狀態(tài)顯示，D1為系統(tǒng)報警指示燈，終端節(jié)點接收到上位機反饋的信息為工具數(shù)量不足時D1為閃爍狀態(tài)，并在液晶顯示屏幕上顯示具體確實的工具代碼。D2為工具出庫狀態(tài)指示燈，D3為工具入庫狀態(tài)指示燈，LED電路如圖6所示。

2.4 按鍵模塊電路

按鍵模塊用于系統(tǒng)的工作模式的控制，本系統(tǒng)設(shè)計了3個單獨的按鍵。S1為系統(tǒng)啟動按鈕，S2為入庫狀態(tài)切換按鈕，S3為出庫狀態(tài)切換按鈕，按鍵電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件

軟件部分的設(shè)計是在硬件網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基礎(chǔ)上，通過Z—Stack協(xié)議棧實現(xiàn)組網(wǎng)，然后通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來完成數(shù)據(jù)的傳送。終端節(jié)點采集工具條碼數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)將各終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸給PC端;PC端通過將接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得出結(jié)果，再將結(jié)果通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)反饋給相對應(yīng)的終端節(jié)點，并在PC端進行可視化顯示;PC端上位機軟件實現(xiàn)了人機交互功能，便于遠程對現(xiàn)場狀態(tài)進行管理。

3.1 構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的工作有組網(wǎng)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)兩個階段。程序設(shè)計采用TI公司最新的符合ZigBee2007規(guī)范的Z-Stack協(xié)議棧。Z—Stack是德州儀器推出的ZigBee協(xié)議棧軟件，為應(yīng)用開發(fā)者提供了一個模板，在其基礎(chǔ)上進行開發(fā)可大幅加快應(yīng)用開發(fā)周期。

Z—Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪詢機制。系統(tǒng)按照任務(wù)優(yōu)先級依次處理事件，而在事件處理完后，進入低功耗模式，降低了系統(tǒng)功耗。操作系統(tǒng)抽象層(OSAL)的工作就是對多個任務(wù)進行系統(tǒng)資源分配，核心是通過參數(shù)傳遞的事件類型來判斷對應(yīng)處理相應(yīng)任務(wù)的事件。在系統(tǒng)中，定義Taskevents數(shù)組存放每個任務(wù)的標志位，在OS主體循環(huán)函數(shù)中，輪詢判斷各任務(wù)標志位來對應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。進而執(zhí)行事件處理函數(shù)，完成任務(wù)事件處理。

在進行應(yīng)用開始時，需要定義添加相應(yīng)的任務(wù)。其中主要包括任務(wù)初始化函數(shù)和事件處理函數(shù)。任務(wù)初始化函數(shù)定義一個TasksArr數(shù)組，存放所有任務(wù)事件處理函數(shù)的地址。給每個任務(wù)分配唯一的任務(wù)標識號，最后注冊系統(tǒng)服務(wù)。Z—Stack協(xié)議棧中按照由高到低的優(yōu)先級已經(jīng)定義好了MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、硬件驅(qū)動抽象層、應(yīng)用設(shè)備對象層的任務(wù)，只需添加用戶應(yīng)用層任務(wù)初始化函數(shù)到后面即可。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在布設(shè)之后，協(xié)調(diào)器首先建立網(wǎng)絡(luò)，所用信道和PAN ID應(yīng)防止與其他網(wǎng)絡(luò)有沖突;建立網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器處于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽狀態(tài)，當有終端節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器為終端節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址并建立鄰居列表，之后向終端節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)確認信息，連接成功。設(shè)計中，終端節(jié)點可以尋找最佳路由，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多跳功能，最后通過路由器發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。

3.2 ZigBee終端節(jié)點軟件設(shè)計

CC2530是基于8051 MCU的SOC芯片，數(shù)據(jù)傳輸采中將每次發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成一個128位的數(shù)據(jù)包，其中包頭為校驗碼55，包尾校驗碼為AA，接收端收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)包解析，并判斷包頭包尾是否為“55”和“AA”，若是，則將數(shù)據(jù)包放入緩存中;如果不是，則返回掉包信息，發(fā)送端重新發(fā)送數(shù)據(jù)。終端節(jié)點軟件分為采集數(shù)據(jù)并發(fā)送、接收數(shù)據(jù)并顯示兩部分。通過串口采集數(shù)據(jù)打包后通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。接收協(xié)調(diào)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，解析后將符合要求的數(shù)據(jù)在LCD上顯示。

3.3 上位機軟件設(shè)計

監(jiān)控中心主要完成數(shù)據(jù)收發(fā)、存儲、處理以及顯示，軟件框圖如圖10所示。上位機的界面是采用VB編寫，數(shù)據(jù)庫采用的是SQL。監(jiān)控中心是本系統(tǒng)的核心部分，終端采集到的各節(jié)點數(shù)據(jù)都通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C的數(shù)據(jù)庫中存儲，通過系統(tǒng)程序?qū)?shù)據(jù)進行比對處理，從而判定各個終端節(jié)點的工具是否全部在位。

上位機界面如圖11所示，系統(tǒng)運行后打開通信端口按鍵，選擇串行端口、波特率，系統(tǒng)則自動接收協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，并存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。當操作人員按下獲取按鈕時，系統(tǒng)程序?qū)⒎答伋鼋Y(jié)論：當工具全部歸還時，對應(yīng)的終端節(jié)點顯示為綠色;當工具未全部歸還時顯示為紅色，并在下方文本框中顯示所缺工具型號。按下發(fā)送按鈕時，則將工具狀態(tài)發(fā)送給相應(yīng)終端節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享交互。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計了一套基于ZigBee技術(shù)的飛行保障工具管理系統(tǒng)，有效解決了對現(xiàn)場監(jiān)管不到位、實際工作中人為差錯等問題。通過系統(tǒng)測試，無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，能夠有效地監(jiān)控飛行保障現(xiàn)場終端工具使用情況，對探索航空兵部隊對飛行保證中工具進行安全高效的管理提供了一套切實可行的方案。