基于PoE技術的航天器潔凈室監(jiān)測報警系統(tǒng)

宋海龍，周 楠，湯浩軍，王海江，李田甜

（北京東方計量測試研究所，北京 100094）

0 引言

多種產品的關鍵工序需要在潔凈室環(huán)境下實施，因此，動態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術成為航天器研制的重要支撐技術之一。航天器研制過程中，在潔凈室綜合性能的諸多參數中，潔凈度和溫、濕度監(jiān)測對保證衛(wèi)星總裝、測試工作區(qū)的環(huán)境而言十分重要。針對航天潔凈室的潔凈度級別和綜合性能檢測方法都出臺了相關的國內標準[1-2]。

目前針對潔凈室環(huán)境的監(jiān)測方案主要有2種：第1種是在墻壁不影響工作的位置安裝測試設備，實時監(jiān)測潔凈室參數[3]。但是這種監(jiān)測方法存在不便于移動跟隨航天器轉場測試、測試指揮無法實時根據監(jiān)測環(huán)境參數判斷航天器所在工位環(huán)境參數的有效性等問題。第2種是人工定期巡檢，采用便攜式測試設備定期采集廠房內不同位置的環(huán)境數據并手動生成報告。但是這種方法無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，測試數據的時效性較差。

文獻[4]介紹于基于ZigBee無線通信技術設計了藥廠的環(huán)境自動控制系統(tǒng)，對藥廠生產過程中的溫、濕度和潔凈度等環(huán)境參數進行自動監(jiān)控。但是無線通信存在不穩(wěn)定和某些場合無法使用等限制。此處還有基于分立傳感器設備和RS-485總線串行通信的潔凈度檢測系統(tǒng)[5]，可對環(huán)境進行實時監(jiān)測，但需要單獨的電源和供電網絡給各傳感器供電，存在系統(tǒng)復雜、布線困難的問題，系統(tǒng)可靠性很難保證。

在 PoE（Power over Ethernet）技術出現(xiàn)之前，所有的網絡設備都采用單獨電源線供電，施工煩瑣復雜，安裝周期長且成本高。PoE技術利用網線中的空閑腳或數據腳實現(xiàn)供電功能，省去了額外電力布線，具有節(jié)約成本、安裝容易、更安全、設備管理更便捷等優(yōu)勢[6-7]。2003年和2009年，IEEE分別發(fā)布了802.3af和802.3at標準，允許通過以太網線纜為受電設備（PD）提供12.95 W和25.5 W的電力，極大推進了PoE技術的發(fā)展與應用。目前，PoE技術已應用于網絡電話和網絡攝像機等設備[8]。

本文研究將潔凈度和溫、濕度檢測集成為綜合監(jiān)測儀終端。采用PoE技術，設計符合802.3at標準的受電端電路，取消單獨的供電電源和供電線纜，實現(xiàn)供電與信號傳輸通路的共用，減少線纜接口，構造簡單、可靠、靈活的航天器潔凈室實時環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

監(jiān)測報警系統(tǒng)在測量區(qū)域布置多臺監(jiān)測儀進行多點數據采集，數據基于PoE技術通過以太網上傳到計算機進行數據集中處理，實現(xiàn)潔凈室環(huán)境參數的24 h實時動態(tài)監(jiān)測。如圖1所示，系統(tǒng)主要由以下部分組成：1）綜合監(jiān)測儀。為自主開發(fā)的集成化產品，用于檢測環(huán)境的潔凈度和溫濕度，安裝在三腳架上，放置于測試大廳以獲得現(xiàn)場環(huán)境的實時監(jiān)測數據；它采用PoE技術通過網線線纜實現(xiàn)數據通信和供電，簡單、可靠、安全。2）上位機?？蛇x服務器或普通臺式機，布置在控制室，安裝有監(jiān)控軟件，完成所有軟件功能，包括與所有遠程監(jiān)測儀的通信、數據可視化、曲線分析、數據存儲、超標報警、歷史數據查詢、系統(tǒng)采樣周期設置等。3）以太網絡。由PoE交換機和以太網線組成。PoE交換機給監(jiān)測儀供電并實現(xiàn)遠程監(jiān)測儀與上位機的數據交換，超五類網線連接所有遠程監(jiān)測儀和上位機，保證信號可靠傳遞。4）外部設備。包括打印機或者其他顯示設備等，完成相應的報表打印和實時信息投射等功能。

圖1 監(jiān)測報警系統(tǒng)方案Fig.1 Structure diagram of the monitoring system

相較于分立傳感器設備基于串行通信組成的監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用基于PoE技術開發(fā)的高集成度環(huán)境綜合監(jiān)測儀，系統(tǒng)簡潔、可靠，布線簡單。

2 硬件設計

2.1 綜合監(jiān)測儀

綜合監(jiān)測儀結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)測儀硬件結構框圖Fig.2 Block diagram of the monitoring hardware

1）溫、濕度檢測：采用PT100A級鉑電阻和濕敏電容分別作為溫度和濕度傳感器，變送器輸出為串行數據；溫度傳感器的測量范圍為0～50 ℃，精度為±0.2 ℃；濕度傳感器的測量范圍為0～100%RH，精度為±2%（15～25 ℃）。

2）潔凈度檢測：采用激光空氣粒子計數器對潔凈度進行檢測，采樣氣流按照規(guī)定以2.83 L/min的流速通過光敏區(qū)?？諝庵械膲m埃粒子在經過光敏區(qū)時產生散射光，基于光散射原理，散射出的光通量與粒徑成一定比例，經光電轉換、信號調理和多通道脈沖計數的電信號處理環(huán)節(jié)，輸出檢測到的不同直徑塵埃粒子個數的串行數據[9]。潔凈度檢測原理如圖3所示。

圖3 潔凈度檢測原理Fig.3 Principle for cleanliness measurement

3）串口服務器：完成串行通信和以太網TCP/IP通信協(xié)議轉換的功能，接收溫/濕度和潔凈度變送器輸出的串行數據，并通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)與上位機的通信。

4）PoE分離器：將輸入的1路含有供電電源的數據信號，分解輸出成普通數據信號和24 V（DC）電力供電?？紤]綜合監(jiān)測儀的功耗，設計支持IEEE 802.3at標準，以保證供電冗余度和監(jiān)測儀的可靠工作。PoE分離器電路原理如圖4所示，采用符合IEEE 802.3at標準的穩(wěn)定可靠的PD端芯片AS1138。該芯片集成了輸入浪涌保護、數字PD控制器和DC/DC控制器，最大輸出功率25.5 W。

5）監(jiān)測儀散熱設計：監(jiān)測儀內部環(huán)境溫度升高后，會通過多種方式影響溫度傳感器檢測的準確度。因此，設計時需要考慮發(fā)熱部件的識別與位置布置，散熱孔的位置和數量，溫度傳感器的設置，溫度傳感器與盒體的絕熱等。

圖4 PoE分離器電路原理Fig.4 Circuit diagram of the PoE splitter

6）通信與監(jiān)測儀布置：本綜合監(jiān)測儀的硬件設計符合IEEE 802.3at標準，取消了獨立的供電線纜，僅由1根以太網線實現(xiàn)供電和傳輸信號的復用，遠程通信協(xié)議包含啟動、停止和收集數據等命令，支持監(jiān)測系統(tǒng)中多個在線監(jiān)測儀與控制終端軟件的遠程信息交互。此外，每個監(jiān)測儀均配置獨立的三腳架，可根據需要隨意設置地面位置和空間高度，亦可根據工位的航天器在測情況增加或撤去監(jiān)測儀，配合上位機軟件界面簡單的終端設備配置，保證系統(tǒng)配置的便利性和靈活性。

為保證監(jiān)測儀的測試數據有效，需要在系統(tǒng)啟動前，遵循相關標準對傳感器硬件設備進行標檢。

2.2 交換機和網絡

PoE交換機即支持網線供電的交換機，在實現(xiàn)普通交換機的數據傳輸功能的同時，還可為網絡的終端設備提供電能。符合IEEE 802.3at標準的供電設備輸出功率可達30 W，受電設備可用功率為25.5 W。為保證綜合監(jiān)測儀的可靠工作，本系統(tǒng)的PoE網絡采用IEEE 802.3at標準，并選用符合該標準的PoE交換機。交換機選型時，需對交換機整機功率、交換機端口數目和在線監(jiān)測儀的數量進行綜合考量：交換機端口的輸出功率受整機功率的限制，需確保多點監(jiān)測系統(tǒng)中每個遠程監(jiān)測儀均能獲得足夠的功率。

本方案通過以太網線纜為綜合監(jiān)測儀提供電能，系統(tǒng)是否能夠可靠工作和以太網線纜的品質有重要關系，因此，本系統(tǒng)選用超五類網線構建交換機到綜合監(jiān)測儀的以太網絡。

2.3 上位機和顯示

本系統(tǒng)的上位機可以和網絡內的其他服務器復用，也可以選用普通的臺式計算機。

選用大尺寸觸摸屏顯示器，并設置于航天器測試大廳的出入口，可保證數據和信息的可讀性和操控的便捷性，方便隨時監(jiān)視潔凈室環(huán)境的狀況。

2.4 外部設備

監(jiān)測系統(tǒng)記錄的數據可以生成報表并通過打印機打印，在航天器測試大廳顯著位置也可以另設LED顯示屏等設備顯示實時環(huán)境數據?？梢愿鶕嶋H需要進行外部設備配置。

3 軟件設計

基于LabView開發(fā)的實時監(jiān)測軟件運行于上位機中，對航天器測試大廳的潔凈度和溫、濕度等綜合環(huán)境參數進行實時動態(tài)收集和顯示，并進行數據的存儲。此軟件具備的功能包括：1）系統(tǒng)管理功能，包括對系統(tǒng)、采樣周期、監(jiān)測儀通道、操作員管理等進行選擇和配置；2）數據實時采集功能，通過與各在線綜合監(jiān)測儀通信獲得數據，對環(huán)境中懸浮粒子顆粒數和溫濕度進行實時監(jiān)測、實時報警和曲線顯示；3）監(jiān)控數據管理功能，可對實時數據進行存儲，并實現(xiàn)對歷史數據的查詢、分析、可視化和導出。

軟件運行主界面如圖5所示，每個航天器測試工位的環(huán)境狀況可以直接通過工位中狀態(tài)圓的顏色來判斷：如果檢測到的所有參數均滿足標準要求，則狀態(tài)圓為綠色；如果有任何一項指標超標，則狀態(tài)圓顯示為紅色，提醒管理人員注意。

圖5 監(jiān)測軟件運行主界面Fig.5 The main interface of the monitoring software

點擊主界面中的每個工位圖標，可以看到實時的具體環(huán)境指標參數信息。如圖6所示，界面直接展示每個參數的標準判據和實時采集的數據，并以右邊狀態(tài)圓的顏色直觀顯示實時采集的數據是否在標準范圍以內。

圖6 實時參數采集圖Fig.6 The parameters monitored real time

點擊不同頁面的標簽可以切換到不同參數的監(jiān)測數據曲線（圖7）。

圖7 監(jiān)測數據曲線Fig.7 Graph of the monitored data

點擊數據查詢命令，彈出數據查詢窗口，可以選擇和檢索歷史數據，并畫出歷史曲線（圖8）。

圖8 歷史數據查詢和曲線Fig.8 Query and graphing of the historical data

點擊終端配置命令按鈕，可以對綜合監(jiān)測儀和相應的端口進行添加、刪除和配置，如圖9所示。

圖9 終端設備配置界面Fig.9 Configuration of the terminal monitoring devices

4 結束語

本文設計的航天器潔凈室環(huán)境綜合監(jiān)測報警系統(tǒng)具備多點實時自動檢測和報警功能，采用支持PoE技術的環(huán)境綜合監(jiān)測儀，系統(tǒng)簡潔、可靠，布線簡單，可實現(xiàn)對各航天器測試工位的潔凈度和溫、濕度的動態(tài)監(jiān)測，提供航天器測試過程中的實時環(huán)境狀況。用戶可從數據庫中查詢歷史數據，實現(xiàn)對環(huán)境數據的實時監(jiān)測和歷史數據回查。

目前本系統(tǒng)已經投入使用，長時間運行良好，很好地實現(xiàn)了對航天器潔凈室環(huán)境的實時綜合監(jiān)測。