面向航天地面測試環(huán)境監(jiān)測的多源陣列傳感器網(wǎng)絡

崔 娟，趙 陽，李 剛，張浩凌，鄭永秋

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051; 2.北京空間飛行器總體設計部， 北京 100094)

1 引言

地面測試作為航天器制備過程的重要環(huán)節(jié)，旨在對航天器的潛在故障進行預分析。航天器地面測試環(huán)境龐大且復雜，其外圍測試所需的發(fā)熱、大功率設備會對局部環(huán)境造成溫度變化，因此需要在測試環(huán)境周邊如廠房等有針對性地分布傳感節(jié)點，進行遠程測量。目前針對航天器地面測試環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)尚未有完善的解決方案。張福生等提出了一種遠程環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小、可實現(xiàn)8路溫濕度、煙霧濃度測量，實現(xiàn)了對測試環(huán)境的遠程監(jiān)控。然而，這套環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測參量過少，無法覆蓋航天器地面測試不同測試階段對環(huán)境重要參量的側(cè)重性監(jiān)測。事實上，航天器地面測試存在多個測試平臺，各個平臺對測試環(huán)境的需求不同。不僅需要對分立的多項參數(shù)進行系統(tǒng)測試，還要考慮遠距離傳輸時的電源隔離、電磁干擾等問題。

針對航天器地面測試環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的技術空白，本文中提出一種多參量、高同步的面向航天器地面測試環(huán)境參量監(jiān)測的多源陣列傳感器網(wǎng)絡，建立了基于CAN總線的多參量航天器地面測試系統(tǒng)。系統(tǒng)包含溫度、應力、濕度、振動、電流多傳感參量，并針對不同測試場景設計了不同的系統(tǒng)工作模式。通過CAN總線驅(qū)動采集數(shù)據(jù)的高速回傳，實現(xiàn)了對航天器地面測試環(huán)境的全方位數(shù)據(jù)參量采集。在數(shù)據(jù)顯示與分析部分，系統(tǒng)針對不同傳感器網(wǎng)絡設計了人機交互界面，采用隨機森林(random forest,RF)集成算法，通過并行化訓練，建立多參量數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析模型，最終實現(xiàn)對航天器潛在異常情況的預測與警報。

2 測試系統(tǒng)設計

本文中提出的地面測試環(huán)境參量監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示，包括人機交互界面、溫度采集模塊、應變采集模塊、濕度、振動采集模塊、電流采集模塊以及頻譜監(jiān)測模塊。其中光纖式溫度、應變測量模塊安裝在PCI卡1上，實時采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給上位機；數(shù)字傳感器濕度、振動以及霍爾電流傳感器采集模塊安裝于PCI卡2上，此模塊包含多個傳感器節(jié)點，所有節(jié)點通過CAN總線將采集到的數(shù)據(jù)回傳；頻譜監(jiān)測傳感裝置通過USB3.0接口完成與工控機的數(shù)據(jù)收發(fā)。由于航天器的地面測試平臺要求環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在電源和信號傳輸上均與航天器系統(tǒng)隔離，避免不必要的干擾，因此整個系統(tǒng)采用AC220V@50 Hz供電，經(jīng)電路的電壓轉(zhuǎn)換模塊處理后滿足各個測試模塊的供電需求。

圖1 多源陣列傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Multi-source array sensor network test system

因此，針對不同的工作平臺，本系統(tǒng)的不同工作模式對監(jiān)測參量的側(cè)重點各有不同，根據(jù)測試平臺和測試階段的不同將測試系統(tǒng)分為3個工作模式：

1) 測試大廳工作模式：此模式下測試周期長，測試參量細致，設備多數(shù)處于分立狀態(tài)，因此需要全面地監(jiān)測溫濕度、電纜應變、電流和頻譜泄漏等參量，由于此模式下的測試工作不涉及設備的移動，因此不需要監(jiān)測振動參量。

2) 發(fā)射基地工作模式：電磁干擾對發(fā)射基地的測試過程影響十分嚴重，故此模式下重點監(jiān)測空間電磁干擾和供電電流，輔助監(jiān)測溫濕度參量，電纜應變、振動等參量對測試環(huán)境影響不大，故可以不做監(jiān)測。

3) 轉(zhuǎn)運過程工作模式：此模式下的航天器處于未通電狀態(tài)，考慮到運輸過程可能對設備的連接狀況帶來影響，因此只對振動參量進行監(jiān)測。

3 傳感模塊及硬件電路設計

測試系統(tǒng)對溫度和應力采用分布式光纖傳感器，對濕度與振動的數(shù)據(jù)采集使用數(shù)字化IC傳感器，對線纜中供電電流的監(jiān)測選用霍爾電流傳感器，以確保采集數(shù)據(jù)的精確性；采用便攜式頻譜接收探頭對測試環(huán)境的頻譜泄漏進行監(jiān)測。

3.1 溫度、應變傳感模塊設計

溫度、應力的傳感模塊選擇基于掃描半導體激光器的單路光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，原理如圖2所示。主要包括光源部分、傳輸光路部分、信號轉(zhuǎn)換與采集部分和上位機控制部分。系統(tǒng)運行初始由上位機對激光器的工作模式和參數(shù)進行控制，系統(tǒng)光源首先輸出某一波長的光，先經(jīng)隔離器后進入1*2耦合器的一端。耦合器剩余兩路中的其中一路用來將光傳輸至后邊一路的FBG陣列，光源經(jīng)FBG傳感器反射得到的光譜則通過另一路耦合器進入光電探測器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后通過A/D轉(zhuǎn)換之后，由同步數(shù)據(jù)采集卡對傳感光柵信號進行采集，同時對激光器的觸發(fā)信號也進行同步采集，然后通過USB將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，進行進一步的軟件解調(diào)、顯示等操作。

圖2 解調(diào)系統(tǒng)原理示意圖Fig.2 Demodulation system schematic diagram

本系統(tǒng)中共設計有4個通道，其中通道一和通道二為溫度傳感系統(tǒng)，通道三和通道四為應力傳感系統(tǒng)，每個通道有10個傳感節(jié)點，編號為FBG1～FBG10。

3.2 濕度、振動與電流傳感模塊設計

濕度監(jiān)測使用SHT30溫濕度傳感器中的濕度測量模塊。該傳感器是一個集成度極高的傳感器芯片，自帶穩(wěn)壓電路，引腳電平兼容3.3 V與5 V的嵌入式系統(tǒng)，支持串口與ⅡC兩種數(shù)字接口，數(shù)據(jù)輸出速率在0.1～100 Hz內(nèi)可編程選擇，不僅使用便捷，而且達到了較高的測量精度，濕度測量精度可達到±2%RH。

振動監(jiān)測使用JY61P姿態(tài)傳感器實現(xiàn)。此模塊集成了高精度的陀螺儀、加速度計、高性能的微處理器和先進的動力學解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法，可快速求解出模塊當前的實時運動姿態(tài)。該傳感器模塊支持串口與ⅡC兩種數(shù)字接口，數(shù)據(jù)輸出速率在0.1～200 Hz內(nèi)可編程選擇。測量精度在靜態(tài)下為0.05°，動態(tài)下為0.1°，穩(wěn)定性極高。

電流傳感器選用霍爾開合電流傳感器HSTS016L，傳感器的測試量程達到了±20 A，精度與線性度都達到了1%，且在5 V電源供電下，最大電流消耗僅為12 mA，可在5 μs內(nèi)對電流變化做出響應，綜合各方面性能，此款電流傳感器與本系統(tǒng)的匹配度較高。

本測試模塊設計為獨立的傳感器節(jié)點實現(xiàn)航天設備轉(zhuǎn)運過程中大面積的數(shù)據(jù)監(jiān)測。每個傳感器節(jié)點配有濕度與振動傳感器芯片，通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲。主控芯片選用STM32F103，考慮到環(huán)境濕度變化較小，故設置對濕度的數(shù)據(jù)采集速率為1 Hz；而振動數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)運過程工作模式的重點監(jiān)測對象，因此其采樣速率為100 Hz。

SHT30溫濕度傳感器與控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸通過串口1實現(xiàn)，振動傳感器通過串口2將采集到的環(huán)境振動數(shù)據(jù)發(fā)送給控制芯片；電流傳感器輸出模擬信號，需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入控制芯片串口引腳。所有采集的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32F103打包后發(fā)送到CAN總線，最終將數(shù)據(jù)回傳到上位機進行顯示、分析與保存。其數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 濕度振動傳感節(jié)點原理框圖Fig.3 Schematic diagram of humidity and vibration sensor node

控制程序通過定時器設置標志來控制單片機啟動A/D轉(zhuǎn)化及向溫濕度傳感器、姿態(tài)傳感器發(fā)出指令，定時器周期為100 ms，每中斷一次就啟動一次A/D轉(zhuǎn)化；當中斷累積到10次時，控制芯片向2個傳感器發(fā)出指令，并將添加了標志位的數(shù)據(jù)包發(fā)送到CAN總線上，同時清零計數(shù)。控制程序流程如圖4所示。

圖4 控制程序流程框圖Fig.4 Flow chart of control program

3.3 頻譜監(jiān)測

頻譜泄漏監(jiān)測選用超緊湊型接收機探頭SAM60，射頻前端包含完整的前置放大器、衰減器、5端預選濾波器、后置放大器，實現(xiàn)了對9 kHz～6.3 GHz頻段的頻譜監(jiān)測，并針對現(xiàn)場及嵌入式應用的需求，對體積、重量、功耗進行了優(yōu)化。當監(jiān)測環(huán)境發(fā)射一個介于9 kHz～6.3 GHz間的微波信號時，此設備可以準確捕捉，達到精確的頻譜泄漏監(jiān)測。

3.4 傳感器節(jié)點封裝設計

為了實現(xiàn)濕度傳感模塊與振動傳感模塊的集成，設計了一種長方體的封裝結(jié)構，在側(cè)面開窗，方便溫濕度傳感器對傳感器節(jié)點外部環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，如圖5所示。將內(nèi)部核心電路設計為上下兩板，上板主要包括控制模塊，下板為傳感器模塊。將內(nèi)部電路的電源、地線、CanH與CanL引出到一個坐針連接器，便于進行CAN總線數(shù)據(jù)傳輸時的線纜連接與傳感器節(jié)點的分布式放置。電流傳感節(jié)點需要引出電流環(huán)鉗住被測線纜。

圖5 硬件電路實物圖Fig.5 Physical drawing of hardware circuit

每個節(jié)點之間通過特制電纜連接，傳感器節(jié)點首先連接“人”字型線纜一，“人”字型線纜的坐針(ZJ)連接器與線纜二的頭孔(TK)匹配連接，下一個傳感器節(jié)點的連接方式相同，如此連接20個節(jié)點形成了一個陣列分布式傳感器網(wǎng)絡，可實現(xiàn)對航天器地面測試環(huán)境的大面積分布式監(jiān)測。線纜制作過程如圖6。

圖6 線纜制作過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of cables

4 上位機界面設計

本測試系統(tǒng)的上位機界面由Labview與C#混合編程實現(xiàn)，針對地面測試的不同階段場景，選擇不同的傳感器網(wǎng)絡對應的上位機界面，能夠在不同的工作模式下直觀地查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。上位機主要由數(shù)據(jù)庫、后臺組件、數(shù)據(jù)處理引擎、用戶界面4個模塊組成，其中數(shù)據(jù)庫主要用于存儲與管理數(shù)據(jù)，包括溫度、應力、濕度、振動、電流和頻譜等傳感信息；后臺組件通過內(nèi)置的API實現(xiàn)顯示功能；數(shù)據(jù)處理引擎搭建起傳輸網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換與處理的橋梁，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、讀取與顯示。對3種傳感器網(wǎng)絡的獨有軟件界面，設計有DLL，方便直接調(diào)用不同的上位機界面，完成各個測試傳感量的數(shù)據(jù)融合與管理。上位機功能如圖7所示。

圖7 上位機功能框圖Fig.7 System function diagram

4.1 溫度、應力數(shù)據(jù)監(jiān)測上位機

溫度、應力傳感數(shù)據(jù)通過RS485串口協(xié)議完成數(shù)據(jù)的回傳。作為不同傳感模塊的上位機主界面系統(tǒng)，此界面能直觀顯示當前測試大廳的溫度與應力變化，精確顯示單條光纖對溫度和應力的監(jiān)測數(shù)據(jù)并可實現(xiàn)不同光纖信道的無縫切換。根據(jù)不同的地面測試環(huán)境，選取不同的工作模式側(cè)重數(shù)據(jù)監(jiān)測，調(diào)取濕度、振動以及頻譜檢測的上位機界面。其上位機界面如圖8所示。

圖8 溫度、應變上位機界面Fig.8 Temperature and strain main interface of host computer

4.2 濕度、振動數(shù)據(jù)監(jiān)測上位機

濕度、振動傳感模塊的數(shù)據(jù)回傳是通過CAN總線實現(xiàn)的。此模塊的上位機由C#編程實現(xiàn)，功能包括串口數(shù)據(jù)接收、CAN傳輸波特率選擇、CAN接口設備打開與關閉及信息的顯示、清空與自動保存以及實時的數(shù)據(jù)曲線繪制和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。其上位機界面設計如圖9所示。

圖9 濕度、振動傳感上位機界面Fig.9 Humidity and vibration sensor interface of host computer

4.3 頻譜監(jiān)測上位機

接收機頻譜監(jiān)測上位機界面如圖10所示。此模塊的上位機功能表包括頻譜顯示、全局峰值顯示、基本參量顯示、設備內(nèi)核溫度監(jiān)測、針對基本參數(shù)、測量參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)的設置以及主信號處理器等功能模塊。

圖10 頻譜監(jiān)測上位機界面Fig.10 Spectrum monitoring interface of host computer

5 現(xiàn)場測試及大數(shù)據(jù)模型分析

5.1 溫度傳感網(wǎng)絡測試

溫度環(huán)境測量主要面向航天器外圍測試的發(fā)熱、大功率設備對局部環(huán)境造成的溫度變化測量。實際測試環(huán)境中，大型設備內(nèi)部最大發(fā)熱溫度不超過70 ℃，同時溫度傳感節(jié)點并不直接接觸設備，而是圍繞測試大廳以及廠房進行分布式布置，因此設定測試階段最高溫度為70 ℃。為模擬應用環(huán)境的溫度變化情況，通過日常使用的吹風機加熱通道2的FBG2傳感節(jié)點，其余節(jié)點放置在不受熱源影響的位置測量環(huán)境室溫，作為實驗對照。加熱過程中，首先對FBG2進行持續(xù)加熱一段時間后，讓其自然冷卻一段時間，而后繼續(xù)加熱，記錄溫度變化曲線。實驗中的溫度變化曲線如圖11。

圖11 溫度變化曲線Fig.11 Variable temperature test

5.2 應力傳感網(wǎng)絡測試

為監(jiān)測測試大廳與發(fā)射基地內(nèi)的供電線纜的受損傷情況，將應力光纖光柵傳感器與供電線纜貼合固定，一旦供電線纜產(chǎn)生異常形變，監(jiān)測系統(tǒng)可以實時的顯示出此異常。本測試針對線纜的不同彎折情況，分別進行實驗并采集數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)記錄如圖12(a)所示，彎折過程如圖12(b)所示。

圖12 線纜彎折測試Fig.12 Cable bending test

5.3 濕度振動傳感網(wǎng)絡測試

濕度傳感器與振動傳感器封裝在同一傳感節(jié)點中，圍繞測試廠房分布式布置安裝。為進行濕度傳感器的功能驗證與精確度測試，測試過程中在該傳感節(jié)點的濕度探頭附近放置加濕器，改變測試環(huán)境空氣濕度的變化。最終測試的濕度變化結(jié)果曲線如圖13所示，驗證了濕度傳感器的監(jiān)測功能。

圖13 最終測試的濕度變化結(jié)果曲線Fig.13 Curve of humidity change

振動監(jiān)測主要通過監(jiān)測環(huán)境振動，評估航天器運輸過程中的設備連接狀態(tài)，因此主要考慮人員走動和載體拖動產(chǎn)生的振動對設備連接狀態(tài)的影響。系統(tǒng)設計的振動測試量程為±16 g，量程較大且靈敏度和精確性滿足實際應用需求。針對航天器運輸過程的設備連接狀態(tài)的監(jiān)測，本測試首先測試人物走動時產(chǎn)生的微弱振動并記錄其數(shù)據(jù)曲線，如圖14(a)所示。然后將傳感節(jié)點放置在機械設備上，往復拖動轉(zhuǎn)運載體，進行異常數(shù)據(jù)的采集與曲線繪制，如圖14(b)所示。結(jié)果表明本系統(tǒng)的振動傳感節(jié)點對環(huán)境振動量的感知具有極高的靈敏度與準確性。

圖14 振動測試曲線Fig.14 Vibration test

5.4 電流傳感節(jié)點測試

電流監(jiān)測主要針對航天器分陣式供電進行第三方監(jiān)測，監(jiān)測供電箱操作平臺輸出線纜中的電流大小。操作監(jiān)控室中的供電設備采用二級串聯(lián)的形式，最大輸出電流為15 A，基本滿足大多后端設備的用電需求，因此本項測試主要針對電流傳感器的測量范圍與測量精度進行測試與驗證。控制恒流電源產(chǎn)生0.5～14 A的信號，每次提升0.5 A，測試電流傳感節(jié)點的量程與測量精度，測試場景如圖15(a)所示，采集的數(shù)據(jù)如圖15(b)所示。測試結(jié)果表明，電流傳感節(jié)點的誤差精度控制在±5%，此誤差產(chǎn)生于霍爾元件自身攜帶的測量誤差且在測量時電流環(huán)對供電線纜的鉗制松緊也會影響測量的結(jié)果，滿足了地面測試環(huán)境監(jiān)測的應用場景需求。

圖15 電流測試Fig.15 Current test

5.5 大數(shù)據(jù)模型訓練與數(shù)據(jù)預測

RF算法的要求較為簡單，不會有很高的泛化誤差，并通過降低偏差來不斷提高最終分類器的精度。模型訓練首先生成多個訓練集，并對每個訓練集構造決策樹。分裂節(jié)點時，在特征中隨機抽取一部分特征并在其中找到最優(yōu)解應用于節(jié)點再進行分裂。RF的方法由于有了集成的思想，實際上對樣本和特征都進行了采樣，所以可避免過擬合帶來的負面影響。

通過模擬不同的異常監(jiān)測環(huán)境并進行大量的數(shù)據(jù)采集，在傳感器網(wǎng)絡將多個傳感量采集并存儲后，輸入到建立好的模型進行數(shù)據(jù)的預處理與模型訓練。本模型旨在根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的值判斷節(jié)點所處環(huán)境是否異樣，為了消除數(shù)據(jù)分布范圍對分類器訓練的影響，使用0-1標準化將每個數(shù)據(jù)的特征縮放到0到1的區(qū)間上，也就是用“1”表示環(huán)境正常，用“0”表示環(huán)境異常。

針對溫度、應力與振動這3類監(jiān)測數(shù)據(jù)的訓練與預測結(jié)果如表1和表2所示。表中micro表示所有類別總和的性能，macro時每一個類別的性能加和求平均，weighted是每個類別的性能指標求加權平均。而Precision代表模型判定為正的所有樣本中有多少是真正的正樣本，Recall表示所有正樣本有多少模型被模型判定為正，F(xiàn)1則是對Precision和Recall的權衡結(jié)果。

表1 RF分類器的分類性能參數(shù)數(shù)據(jù)(%)Table 1 Classification performance of RF classifier on test sets of temperature and stress data

表2 RF分類器在振動數(shù)據(jù)的測試集上的 分類性能參數(shù)數(shù)據(jù)(%)Table 2 Classification performance of RF classifier on test sets of vibration data

結(jié)果顯示RF算法在3類數(shù)據(jù)上的分類性能都非常好，且對數(shù)據(jù)的預測準確度基本達到全對的結(jié)果，在本系統(tǒng)應用于航天器地面測試環(huán)境參量監(jiān)測時可以發(fā)揮極佳的數(shù)據(jù)預測能力。

6 結(jié)論

本文提出的針對航天器地面測試環(huán)境的關鍵參量監(jiān)測的多源陣列傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)了在不同模式下對監(jiān)測數(shù)據(jù)的側(cè)重采集與分析：1) 可以同步、實時監(jiān)測地面測試環(huán)境的溫濕度、應力、振動、電流等重要參數(shù)；2) 采集速率快、同步性強、融合度高，整套系統(tǒng)采用與航天器系統(tǒng)完全隔離的電源供應和數(shù)據(jù)傳輸方式，避免了對航天器產(chǎn)生的干擾；3)通過建立基于隨機森林集成算法的大數(shù)據(jù)預測模型，對傳感器網(wǎng)絡采集到的數(shù)據(jù)進行環(huán)境異常預測。該研究克服了一般地面測試環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的參量少、難以覆蓋整個測試過程的技術缺陷，將大數(shù)據(jù)模型訓練與異常預測技術加入到傳感器網(wǎng)絡中，擴大了系統(tǒng)在地面測試中的應用前景。