基于ZigBee技術(shù)的飛行保障工具管理系統

摘要 為了實(shí)現航空兵部隊日常飛行保障中對維護工具進(jìn)行遠程實(shí)時(shí)精確管理的目的，設計了一套基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )和條碼技術(shù)的工具實(shí)時(shí)管理系統。該系統由終端數據采集系統、ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )和上位機監控端3部分組成。系統完成了條碼槍對工具條形碼的采集和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )對數據的傳輸，PC端建立數據庫和上位機應用程序實(shí)現了數據處理和人機交互。此外系統還實(shí)現了對維護現場(chǎng)工具的實(shí)時(shí)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部，對飛行安全保障十分關(guān)鍵。每架飛機所對應的工具都是獨一無(wú)二的，工具箱跟隨飛機的位置移動(dòng)，目前是人工對工具箱中的工具數量和種類(lèi)進(jìn)行清點(diǎn)確認，在保證數量和種類(lèi)準確無(wú)誤的情況下才能對飛機進(jìn)行相關(guān)作業(yè)?，F有工作模式由于工具種類(lèi)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(shí)每天需要去工具房借還工具，工作量較大。為解決上述問(wèn)題，本文設計了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的遠程工具管理系統。系統實(shí)現了通過(guò)條碼槍對工具出入工具箱條形碼的數據采集，并通過(guò)建立ZigBee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )將條形碼數據傳輸到PC端數據庫，在PC端進(jìn)行數據處理，通過(guò)可視化界面對處理結果進(jìn)行顯示，并將每個(gè)工具箱的數據處理結果發(fā)回現場(chǎng)終端設備顯示，實(shí)現遠程對每架飛機工具的精確、實(shí)時(shí)管理，并將結果反饋給現場(chǎng)工作人員，實(shí)現了各類(lèi)人員對數據的共享。本系統有效地解決了現有工作模式下監管不到位、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 系統總體設計

系統功能主要分為3部分：(1)實(shí)現單個(gè)工具箱(ZigBee終端節點(diǎn))的工具出庫入庫時(shí)工具條形碼的采集。(2)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的建立，將各終端節點(diǎn)采集的數據實(shí)時(shí)上傳到協(xié)調器點(diǎn)，并進(jìn)行協(xié)調器點(diǎn)和終端節點(diǎn)的數據交換。(3)在PC端，通過(guò)RS232串口接收協(xié)調器節點(diǎn)的數據，通過(guò)建立的數據庫進(jìn)行數據處理，實(shí)現對處理結果的可視化顯示并將處理結果反饋給各個(gè)終端節點(diǎn)。

整個(gè)工具管理系統的無(wú)線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )由終端節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)、監控中心組成。系統采用Z—Stack協(xié)議構建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò );各個(gè)終端節點(diǎn)分別執行工具條碼的采集、信息的處理和數據的傳輸;匯聚節點(diǎn)包括路由器和協(xié)調器，路由器負責數據的收集與轉發(fā)，協(xié)調器作為網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，主要負責網(wǎng)絡(luò )組建、維護、控制終端節點(diǎn)的加入，通過(guò)RS232串口與監控主機實(shí)現數據的交互;在監控中心通過(guò)建立數據庫并對數據進(jìn)行處理從而實(shí)時(shí)管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò )區域內各終端節點(diǎn)的工具運轉。在ZigBee協(xié)議的3種拓撲結構中，本文選用樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )，樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )比最簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò )拓撲網(wǎng)絡(luò )規模大，同時(shí)比網(wǎng)狀拓撲所需資源小，系統結構框圖如圖1所示。

2 硬件設計

系統硬件電路的設計主要包括終端節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)的硬件設計。終端節點(diǎn)主要負責工具條碼數據的出入庫管理、狀態(tài)顯示、數據的無(wú)線(xiàn)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(gè)硬件的核心;而匯聚節點(diǎn)包括路由器節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)，路由器節點(diǎn)主要負責數據的路由;協(xié)調器節點(diǎn)主要負責和PC端上位機程序的數據通信，接收路由器的數據通過(guò)串口輸出到PC機，通過(guò)串口接收PC端處理后的數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )傳輸到各個(gè)終端節點(diǎn)，同時(shí)負責無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的建立和維護。

系統的終端節點(diǎn)由CC2530核心模塊、數據采集模塊、狀態(tài)顯示模塊和按鍵模塊組成。終端節點(diǎn)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 )節點(diǎn)。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 數據采集模塊電路

在終端節點(diǎn)中，條形碼掃描槍負責對工具條形碼出入工具箱的數據進(jìn)行采集，通過(guò)RS232串口通信將數據傳輸給CC2530，CC2530模塊再將條碼數據進(jìn)行處理后通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )傳輸給上位機。圖4為系統的USB轉串口電路圖。

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、輸入方式設置指令、顯示開(kāi)關(guān)控制指令、光標位移指令、功能設置指令、寫(xiě)數據指令等。液晶屏用于顯示工具狀態(tài)信息，工具全部歸還時(shí)顯示為OK，工具缺失是現實(shí)缺失的數量和工具代碼。液晶屏電路如圖5所示。

LED用于系統的工作狀態(tài)顯示，D1為系統報警指示燈，終端節點(diǎn)接收到上位機反饋的信息為工具數量不足時(shí)D1為閃爍狀態(tài)，并在液晶顯示屏幕上顯示具體確實(shí)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

按鍵模塊用于系統的工作模式的控制，本系統設計了3個(gè)單獨的按鍵。S1為系統啟動(dòng)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 系統軟件

軟件部分的設計是在硬件網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的基礎上，通過(guò)Z—Stack協(xié)議棧實(shí)現組網(wǎng)，然后通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )來(lái)完成數據的傳送。終端節點(diǎn)采集工具條碼數據，通過(guò)構建的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )將各終端節點(diǎn)的數據傳輸給PC端;PC端通過(guò)將接收的數據經(jīng)過(guò)數據處理后得出結果，再將結果通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )反饋給相對應的終端節點(diǎn)，并在PC端進(jìn)行可視化顯示;PC端上位機軟件實(shí)現了人機交互功能，便于遠程對現場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行管理。

3.1 構建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的工作有組網(wǎng)與數據轉發(fā)兩個(gè)階段。程序設計采用TI公司最新的符合ZigBee2007規范的Z-Stack協(xié)議棧。Z—Stack是德州儀器推出的ZigBee協(xié)議棧軟件，為應用開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)模板，在其基礎上進(jìn)行開(kāi)發(fā)可大幅加快應用開(kāi)發(fā)周期。

Z—Stack采用操作系統的思想來(lái)構建，采用事件輪詢(xún)機制。系統按照任務(wù)優(yōu)先級依次處理事件，而在事件處理完后，進(jìn)入低功耗模式，降低了系統功耗。操作系統抽象層(OSAL)的工作就是對多個(gè)任務(wù)進(jìn)行系統資源分配，核心是通過(guò)參數傳遞的事件類(lèi)型來(lái)判斷對應處理相應任務(wù)的事件。在系統中，定義Taskevents數組存放每個(gè)任務(wù)的標志位，在OS主體循環(huán)函數中，輪詢(xún)判斷各任務(wù)標志位來(lái)對應執行相應的任務(wù)。進(jìn)而執行事件處理函數，完成任務(wù)事件處理。

在進(jìn)行應用開(kāi)始時(shí)，需要定義添加相應的任務(wù)。其中主要包括任務(wù)初始化函數和事件處理函數。任務(wù)初始化函數定義一個(gè)TasksArr數組，存放所有任務(wù)事件處理函數的地址。給每個(gè)任務(wù)分配唯一的任務(wù)標識號，最后注冊系統服務(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、硬件驅動(dòng)抽象層、應用設備對象層的任務(wù)，只需添加用戶(hù)應用層任務(wù)初始化函數到后面即可。

ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在布設之后，協(xié)調器首先建立網(wǎng)絡(luò )，所用信道和PAN ID應防止與其他網(wǎng)絡(luò )有沖突;建立網(wǎng)絡(luò )后，協(xié)調器處于網(wǎng)絡(luò )監聽(tīng)狀態(tài)，當有終端節點(diǎn)請求加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)，協(xié)調器為終端節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )地址并建立鄰居列表，之后向終端節點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)確認信息，連接成功。設計中，終端節點(diǎn)可以尋找最佳路由，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )多跳功能，最后通過(guò)路由器發(fā)送數據給協(xié)調器。

3.2 ZigBee終端節點(diǎn)軟件設計

CC2530是基于8051 MCU的SOC芯片，數據傳輸采中將每次發(fā)送的數據打包成一個(gè)128位的數據包，其中包頭為校驗碼55，包尾校驗碼為AA，接收端收到數據后將數據包解析，并判斷包頭包尾是否為“55”和“AA”，若是，則將數據包放入緩存中;如果不是，則返回掉包信息，發(fā)送端重新發(fā)送數據。終端節點(diǎn)軟件分為采集數據并發(fā)送、接收數據并顯示兩部分。通過(guò)串口采集數據打包后通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )發(fā)送。接收協(xié)調器發(fā)送來(lái)的數據后，解析后將符合要求的數據在LCD上顯示。

3.3 上位機軟件設計

監控中心主要完成數據收發(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(xiě)，數據庫采用的是SQL。監控中心是本系統的核心部分，終端采集到的各節點(diǎn)數據都通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )傳輸到上位機的數據庫中存儲，通過(guò)系統程序對數據進(jìn)行比對處理，從而判定各個(gè)終端節點(diǎn)的工具是否全部在位。

上位機界面如圖11所示，系統運行后打開(kāi)通信端口按鍵，選擇串行端口、波特率，系統則自動(dòng)接收協(xié)調器通過(guò)串口發(fā)送的數據，并存儲在系統數據庫中。當操作人員按下獲取按鈕時(shí)，系統程序將反饋出結論：當工具全部歸還時(shí)，對應的終端節點(diǎn)顯示為綠色;當工具未全部歸還時(shí)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(shí)，則將工具狀態(tài)發(fā)送給相應終端節點(diǎn)，實(shí)現數據的共享交互。

4 結束語(yǔ)

系統設計了一套基于ZigBee技術(shù)的飛行保障工具管理系統，有效解決了對現場(chǎng)監管不到位、實(shí)際工作中人為差錯等問(wèn)題。通過(guò)系統測試，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )數據傳輸穩定可靠，能夠有效地監控飛行保障現場(chǎng)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(jìn)行安全高效的管理提供了一套切實(shí)可行的方案。