何嘉武+吳迪+雷震

摘 要：針對目前裝備指揮員對作戰(zhàn)地域內(nèi)的裝備、設(shè)施設(shè)備的個體和綜合狀態(tài)信息不能實時掌握，缺乏戰(zhàn)場自組網(wǎng)手段等問題，采用軍用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了智能裝備信息感知科研實驗平臺來模擬再現(xiàn)戰(zhàn)場情況，同時利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性，形成戰(zhàn)場裝備信息傳感網(wǎng)，從而向裝備指揮員提供融合處理后的裝備狀態(tài)信息，并給出裝備保障建議，為裝備指揮員定下裝備保障決心提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；裝備；保障；信息感知

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-04

0 引 言

裝備物聯(lián)網(wǎng)云科研實驗平臺，集成了先進的云計算技術(shù)、移動/互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、嵌入式中間件技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，面向裝備使用過程中的各個環(huán)節(jié)，如戰(zhàn)地狀況、裝備車輛技術(shù)狀況、車場管理、裝備維修、裝備物資管理等，具有統(tǒng)一開放的API接口，提供各個環(huán)節(jié)各種傳感器數(shù)據(jù)的接入、存儲以及應(yīng)用服務(wù)。用戶可以通過桌面平臺、軍用手機平臺等終端登錄云平臺，遠程訪問系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，也可利用開放的API方法搭建各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

1 硬件組成

裝備物聯(lián)網(wǎng)云科研實驗平臺的基礎(chǔ)系統(tǒng)采用彎曲開源的云計算平臺OpenStack實現(xiàn)，主要由云控制器、云計算節(jié)點、客戶端組成。

部署過程中，云控制器與計算節(jié)點由兩臺高配置的臺式機組成，客戶端為任意機器（桌面臺式機、智能手機等）。它們通過千兆交換機互聯(lián)。上行接入互聯(lián)網(wǎng)，下行通過以太網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用科研實驗區(qū)的實訓平臺連接。

該云平臺的具體硬件組成如表1所列。

表1 裝備物聯(lián)網(wǎng)云平臺硬件配置清單

主要設(shè)備名稱 硬件 性能 數(shù)量

控制器 CPU 第二代智能英特爾 酷睿 i7 處理器i7-3770，3.4 GHz 1

內(nèi)存 4GDDRIII 1333

硬盤 1 TB

網(wǎng)卡 集成千兆網(wǎng)卡

計算節(jié)點 CPU 第二代智能英特爾 酷睿 i7 處理器i7-3770，3.4 GHz 1

內(nèi)存 4GDDRIII 1333

硬盤 1T

網(wǎng)卡 集成千兆網(wǎng)卡

2 軟件組成

平臺軟件主要包括OpenStack云計算平臺以及裝備物聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)兩部分。

2.1 OpenStack云計算平臺

OpenStack云計算平臺幫助我們建立自己的IaaS，分別在兩臺PC機上部署云控制器和計算節(jié)點。云控制器主要項目有Compute（Nova）、對象存儲（Object Storage，Swift）、鏡像服務(wù)（Image Service，Glance）。另外還包括Identity Service（Keystone）和Dashboard（Horizon）。Nova提供虛擬計算服務(wù)，Swift提供存儲服務(wù)，Glance提供虛擬機鏡像的注冊、分發(fā)服務(wù)，Keystone提供認證和授權(quán)服務(wù)，Horizon提供一個基于頁面的模塊化接口以及特定部署服務(wù)的目錄。

（1）Compute （代號為 Nova）：是一套控制器，用于為單個用戶或使用群組啟動虛擬機實例，以及為包含著多個實例的特定項目設(shè)置網(wǎng)絡(luò)。

（2）對象存儲（代號Swfit）：是一套用于在大規(guī)模可擴展系統(tǒng)中，通過內(nèi)置冗余及容錯機制實現(xiàn)對象存儲的系統(tǒng)。這些對象能夠通過一個 REST API 或是像 Cyberduck（一個開放源代碼的 FTP 及 SFTP 軟件，基于 GPL 授權(quán)，擁有簡單的操作界面，支持 WebDAV 和 Amazon S3 瀏覽與文件的傳輸?shù)龋?，可以對接對象存儲API 的客戶端加以恢復(fù)。

（3）鏡像服務(wù)（代號Glance）：是一套虛擬機鏡像查找及檢索系統(tǒng)。它能夠以三種形式加以配置：利用 OpenStack 對象存儲機制來存儲鏡像；利用 Amazon 的簡單存儲解決方案（簡稱 S3）直接存儲信息；或者將 S3 存儲與對象存儲結(jié)合起來，作為 S3 訪問的連接器。OpenStack 鏡像服務(wù)支持多種虛擬機鏡像格式，包括 VMware（VMDK）、Amazon鏡像（AKI、ARI、AMI）以及 VirtualBox 所支持的各種磁盤格式。

2.2 裝備物聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)

首先在IaaS基礎(chǔ)上，部署Web Service的開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建PaaS。然后在此基礎(chǔ)上，開發(fā)裝備物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)系統(tǒng)。它面向裝備保障業(yè)務(wù)過程中的各個環(huán)節(jié)，如戰(zhàn)場狀況感知、裝備車輛技術(shù)狀況感知、裝備場管理、裝備維修、裝備儲供等，將各個環(huán)節(jié)的設(shè)備以及感知的動態(tài)信息，通過系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)接入云平臺。云平臺構(gòu)建的Web Service，為用戶提供各種API函數(shù)接口以實現(xiàn)遠程調(diào)用、監(jiān)控等操作。用戶可以通過電腦、手機等終端的應(yīng)用程序登錄云平臺，遠程訪問系統(tǒng)中的任何設(shè)備；也可利用開放的API方法搭建各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

3 智能信息感知平臺

3.1 功能構(gòu)成

智能信息感知平臺系統(tǒng)包括車輛技術(shù)狀況動態(tài)感知、車輛地理信息動態(tài)感知、地形狀況實時檢測等三個功能，如圖1所示。

圖1 智能信息感知平臺系統(tǒng)功能

表2所列是智能裝備信息感知科研實驗平臺的實時信息。

表2 智能裝備信息感知科研實驗平臺的實時信息車輛ID 速度

（km/h） 里程（km） 經(jīng)緯度

（°） 當前路段

車輛1 70 5 東經(jīng)：xx，北緯：xx 平原

車輛2 60 8 東經(jīng)：xx，北緯：xx 丘陵

車輛3 90 3 東經(jīng)：xx，北緯：xx 涉水

車輛n 0 9 東經(jīng)：xx，北緯：xx 深溝

3.2 車輛技術(shù)狀況動態(tài)感知

主要實現(xiàn)車輛行駛速度、公里數(shù)等自身技術(shù)性能的動態(tài)感知，以及當前地形對車輛造成破壞損傷等狀況的判斷，使指揮官能夠及時全面地掌握戰(zhàn)地車輛狀況。

車輛技術(shù)性能的感知是通過安裝在車內(nèi)的加速度、位移傳感器實時采集車輛行駛的加速度、路程等數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理獲得。

當前地形對車輛的破壞損傷的感知是由加速度傳感器結(jié)合用于地形判斷的震動、水浸、水位等傳感器協(xié)同工作，通過數(shù)據(jù)融合，得出車輛受損的不同情況。如當前車輛涉水深度超過最高限度，有可能造成發(fā)動機受損，需要到維修車間進行鑒定。又如車輛經(jīng)過起伏地，振動劇烈，履帶或底盤受損，需要到維修車間進行鑒定。

通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時傳送到網(wǎng)絡(luò)信息機，最后通過TCP/IP協(xié)議可靠地傳送給作戰(zhàn)指揮中心。

3.3 車輛地理信息動態(tài)感知

主要實現(xiàn)車輛經(jīng)緯度、海拔等地理位置信息的獲取與傳輸。它由安裝在車輛上的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和基于Ad hoc技術(shù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要用于采集當前車輛的經(jīng)度、緯度、海拔等數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理后，通過自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸給網(wǎng)絡(luò)信息機，由信息機再通過TCP/IP協(xié)議傳送給作戰(zhàn)指揮中心。

說明：由于在室內(nèi)無法獲取北斗衛(wèi)星定位信息，因此沙盤選用室內(nèi)定位系統(tǒng)實現(xiàn)車輛的地理位置定位模擬。

3.4 地形環(huán)境動態(tài)感知

主要實現(xiàn)戰(zhàn)地地形數(shù)據(jù)的動態(tài)感知與傳輸。它由安裝在車輛上的加速度、震動、水浸、水位等傳感器實時采集車輛重力加速度、震動幅度、是否涉水、以及涉水深度等數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與融合，得出當前車輛行駛的地形狀況，如起伏地、涉水地、深溝等，并將結(jié)論通過自組織網(wǎng)傳輸給網(wǎng)絡(luò)信息機，再由信息機通過TCP/IP協(xié)議傳送給作戰(zhàn)指揮中心。

4 整個平臺的組成

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與外觀尺寸如圖2所示。

系統(tǒng)由車載終端節(jié)點、車載路由器、車載定位模塊、定位基站、內(nèi)置ZigBee協(xié)調(diào)器的智能信息機、智能終端以及沙盤模型組成。加速度與振動終端節(jié)點、車載路由器以及車載定位模塊安裝在車載智能傳感器控制盒內(nèi)。

4.1 硬件組成

系統(tǒng)平臺的硬件組成如圖3所示。具體如下：

圖3 智能裝備信息感知實驗平臺的硬件組成

（1）車載終端節(jié)點：包括加速度、水浸、水位、振動等傳感器節(jié)點。

（2）車載路由器：用于匯聚車輛中加速度、水浸、水位、振動節(jié)點的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)發(fā)給智能信息機。

（3）智能信息機：由A8高性能處理器實現(xiàn)，具有存儲容量大、運行速度快的優(yōu)點，內(nèi)部集成ZigBee協(xié)調(diào)器以及移動網(wǎng)絡(luò)通信模塊。其功能是接收車載路由器發(fā)回的檢測數(shù)據(jù)，計算出當前車輛自身的技術(shù)狀況，以及行駛地形的狀況，存入數(shù)據(jù)庫。并通過TCP/IP協(xié)議將此信息傳輸給智能終端，用戶可在終端上瀏覽各個戰(zhàn)地車輛以及地形情況。

（4）定位基站：四個定位基站組成一組，對所圍矩形區(qū)域攜帶定位標簽的模塊進行x、y方向坐標的計算與傳輸，工作和儲存溫度等均符合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用需求。

（5）車載定位模塊：車輛安裝定位模塊，與四個定位基站組成小型定位系統(tǒng)。隨著車輛的移動，定位模塊實時把x、y坐標值傳輸給基站。

（6）智能終端：是一臺可觸摸的PC機，通過以太網(wǎng)與智能信息機進行連接。運行車輛技術(shù)狀況與地形狀況感知系統(tǒng)軟件，可通過TCP/IP協(xié)議與信息機進行數(shù)據(jù)通信，接收信息機匯聚的所有車輛的數(shù)據(jù)，用戶可在該終端上瀏覽車輛行駛的各種信息。

具體硬件組成情況如表3所列。

4.2 軟件組成

平臺軟件主要包括戰(zhàn)地小車多傳感器采集程序、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器數(shù)據(jù)透明傳輸軟件、嵌入式網(wǎng)關(guān)匯聚軟件、服務(wù)器軟件、客戶端車輛動態(tài)顯示軟件等。

4.2.1 戰(zhàn)地小車多傳感器采集程序

采用32位ARM Cortex-M3處理器STM32作為控制器，定時輪詢讀取戰(zhàn)地小車上安裝的各種傳感器。具體包括：處理陀螺儀原始數(shù)據(jù)得到全方位姿態(tài)角度，通過對加速度和角速度融合計算得出車輛的ROLL（翻滾角）、PITCH（俯仰角）、YAW（偏航角），可以得到車輛的爬坡角度、偏航角度等；采用LM298電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動12 V直流電機；可以通過霍爾傳感器測量車輛行駛速度，以及里程；通過霍爾型水浸傳感器，測量車輛經(jīng)過涉水路面的車輛浸水情況，最后將這些信息傳輸給嵌入式網(wǎng)關(guān)。

表3 智能裝備信息感知科研實驗平臺的組成主要部件 序號 細化部件 數(shù)量

PC機監(jiān)控設(shè)備 1 PC機監(jiān)控中心 1

2 智能終端 1

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊 3 ZigBee協(xié)調(diào)器 1

4 姿態(tài)（三軸陀螺儀）

傳感器節(jié)點 3

5 霍爾型水浸水位傳感器節(jié)點 3

6 振動傳感器節(jié)點 3

遠距離無線通信模塊 7 北斗衛(wèi)星模塊 3

8 遠程數(shù)傳模塊 3

智能信息處理設(shè)備 9 智能車采集控制板 3

10 智能車遙控器 3

11 智能信息機 1

RFID射頻識別模塊 12 （戰(zhàn)地出入口）安全識別協(xié)議超高頻讀卡器 1

13 （戰(zhàn)地出入口）

超高頻電子標簽 3

14 （戰(zhàn)地出入口）超高頻天線 2

無線通信模塊 15 室內(nèi)定位基站 4

16 室內(nèi)定位標簽與模塊 3

軟件源碼 17 車輛技術(shù)狀況與地形實時檢測感知系統(tǒng)軟件

（服務(wù)器和客戶端） 1

附件 18 無線路由器 1

19 車輛模型 3

20 沙盤模型 1

21 線纜 若干

4.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器數(shù)據(jù)透明傳輸軟件

基于Z-Stack2007協(xié)議棧，獨立自主開發(fā)的數(shù)據(jù)透明傳輸程序。它主要實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點的自動入網(wǎng)、節(jié)點之間數(shù)據(jù)的透明傳輸功能。

4.2.3 嵌入式網(wǎng)關(guān)匯聚軟件

基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)和Qt函數(shù)庫，開發(fā)的戰(zhàn)地小車多傳感器信息匯聚軟件，主要用于保存當前車輛的技術(shù)狀況，如車速、方位、水浸水位以及加速度值，并綜合多傳感器監(jiān)測信息經(jīng)過融合，判斷車輛當前行駛的路段狀況，最后通過TCP/IP協(xié)議將車輛狀況、路段狀況等信息實時傳輸至服務(wù)器保存。

4.2.4 服務(wù)器軟件

建立TCP和UDP服務(wù)器，下行采用UDP協(xié)議與嵌入式網(wǎng)關(guān)通信，上行通過TCP協(xié)議與客戶端數(shù)據(jù)通信。

4.2.5 客戶端車輛動態(tài)顯示軟件

建立客戶端和人機交互界面，通過TCP協(xié)議申請與服務(wù)器的連接，獲取服務(wù)器接收的車輛速度、路程、當前行駛路段狀況等各類信息，動態(tài)顯示在界面上。

4.3 系統(tǒng)流程

智能裝備信息感知科研實驗平臺的系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 智能裝備信息感知科研實驗平臺系統(tǒng)流程

4.4 軟硬件指標

4.4.1 軟件指標

本系統(tǒng)的軟件配置情況參見表4所列。

表4 智能裝備信息感知科研實驗平臺的軟件組成主要軟件 類別 名稱 備注

PC監(jiān)控中心 開發(fā)環(huán)境 windows操作系統(tǒng)，F(xiàn)ramework 4.0框架環(huán)境、SQL Server

開發(fā)語言 C#、C++

應(yīng)用軟件 監(jiān)控中心身份登記發(fā)卡管理系統(tǒng)軟件

觸摸控制終端 開發(fā)環(huán)境 windows操作系統(tǒng)，F(xiàn)ramework 4.0框架環(huán)境、SQL Server

開發(fā)語言 C#、C++

應(yīng)用軟件 崗哨身份識別認證管理系統(tǒng)軟件

敏感區(qū)監(jiān)控主機 開發(fā)環(huán)境 Keil uvison4

開發(fā)語言 C

應(yīng)用軟件 崗哨敏感區(qū)監(jiān)控軟件

4.4.2 硬件指標

硬件參數(shù)設(shè)置情況見表5所列。

表5 硬件設(shè)備技術(shù)指標設(shè)備名稱 序號 技術(shù)指標

PC機監(jiān)控設(shè)備 1 聯(lián)想品牌電腦智能觸摸終端

2 智能觸摸終端

ZigBee協(xié)調(diào)器 3 同智能倉儲ZigBee協(xié)調(diào)器

姿態(tài)（三軸陀螺儀）

傳感器節(jié)點 4 角速度全格感測范圍為±250、±500、±1 000與±2 000°/sec （dps），可準確追蹤快速與慢速動作，并且用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2 g、±4 g、±8 g與±16 g。

以數(shù)字輸出6軸或9軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)（quaternion）、歐拉角格式（Euler Angle forma）的融合演算數(shù)據(jù)。

霍爾型水浸

水位傳感器節(jié)點 5 采用霍爾傳感器，能夠檢測車輛在行進過程中路面使用積水。并通過無線上傳。

電源電壓：2.7～5.5 V，線性電壓輸出：2.2～VCC；

振動傳感器節(jié)點 6 由震動傳感器、CC2530射頻板和底板三部分組成；

震動傳感器：能夠檢測到環(huán)境震動

電源電壓：2.7～5.5 V，線性電壓輸出：2.2～VCC；

北斗衛(wèi)星模塊 7 同物資追蹤定位北斗模塊

遠程數(shù)傳模塊 8 同物資追蹤定位遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊

智能車采集控制板 9 智能戰(zhàn)地小車整體尺寸不小于18cm×22 cm，車身采用鋁合金機身，全履帶驅(qū)動 馬達強勁 載重5～10 kg，適用于沼澤地 泥地遙控，車身集成加速度、水浸、水位、振動等傳感器節(jié)點。通過車載路由器，將采集到的加速度、水浸、水位、振動節(jié)點的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)發(fā)給智能信息機。

智能車遙控器 10 對小車進行相應(yīng)前進、后退、停止、左右轉(zhuǎn)等狀態(tài)的控制。

通過小車與遙控器信號的是否成功接收和程序中規(guī)定的信號處理規(guī)則確定了小車要走的方向。

智能信息機 11 同智能倉儲智能信息機

（戰(zhàn)地出入口）

安全識別協(xié)議

超高頻讀卡器 12 射頻功率：12 dBm～30 dBm（軟件可調(diào)）

讀標簽距離：使用 8 dBi 天線>8 m（與標簽及環(huán)境相關(guān)）

寫標簽距離：使用 8 dBi 天線>2 m（與標簽及環(huán)境相關(guān)）

連接能力

電源：110～240 V/50～60 Hz

電源適配器：7.5 V/3 A

整機功耗：小于等于 16 W

通訊口：串口和 RJ45

（戰(zhàn)地出入口）

超高頻電子標簽 13 天線厚度： 0.01 mm

基板厚度： 0.03 mm

工作頻率： 860 MHz～960 MHz

讀寫距離： 1～10 m

標準協(xié)議： ISO/IEC 18000-6C； EPC CLASS1 G2

（戰(zhàn)地出入口）

超高頻天線 14 天線支持符合ISO/IEC15693標準的多家廠商的讀寫器和電子標簽；

具備快速的標簽識別處理能力及很好的防沖突能力，識別電子標簽速度高。

（續(xù)表）

設(shè)備名稱 序號 技術(shù)指標

室內(nèi)定位基站 15 四個定位基站組成一組，對所圍矩形區(qū)域攜帶定位標簽的模塊進行x、y方向坐標的計算與傳輸，工作和儲存溫度等均符合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用需求。

覆蓋范圍：5～50 m（2D） 10～100 m（1D）

典型精度：<2 m

射頻功：率0 db m～20 dbm（1mW～100 mW）

信號靈敏度：-95 dbm @ 22 Mb/s模式

工作頻：2.40 GHz～2.485 GHz

室內(nèi)定位標簽與模塊 16 工作頻率：10 cm

工作頻率：3.5 GHz～6.5 GHz（可調(diào)）

射頻功率：0 dbm～17 dbm（1 mW～70 mW）

信號靈敏度：-106 dbm @ 500 MHz

位置刷新率：1 Hz

工作時間：30天

交互功能：按鍵，LED指示燈

充電方式：DC5 V，無線充電

電源： 3.7 V 鋰電池

無線路由器 17 TP-LINK無線路由器

車輛模型 18 仿真模型車

沙盤模型 19 設(shè)備采用鋼結(jié)構(gòu)及鋁合金型材承重支架；尺寸不小于：1 500 mm×3 200 mm ×500 mm，模擬車輛技術(shù)狀況與戰(zhàn)地沙盤。沙盤需滿足造型新穎，做工精致，且需要配置平原地，丘陵地、深溝地以及涉水地等多種不同模擬場地環(huán)境，以達到戰(zhàn)地沙盤模擬演練的不同效果。

5 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能裝備信息感知科研實驗平臺按照“縮小場地、以近代遠、以少代多、按業(yè)務(wù)展現(xiàn)”的思想，采用軍用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以實驗柜、沙盤模型等方式實現(xiàn)對作戰(zhàn)地域環(huán)境模擬以及作戰(zhàn)裝備和設(shè)施設(shè)備狀態(tài)的全維全時監(jiān)測，并能據(jù)此進行融合分析和判斷，為裝備指揮員定下裝備保障決心提供依據(jù)。該平臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)，能夠滿足軍隊院校教學、科研、實驗一體化的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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