| 基于混合網絡的機場行李秤計量系統設計 | 2020-01-18 |
| 摘要：針對機場行李秤的服務時間與服務量的不準確計量，設計基于ZigBee-WLAN/Ethemet混合網絡的行李秤計量管理系統；主要通過安裝在該車輛上的稱重模塊節點對機場環境溫度、油缸撐角壓力、履帶頂端橡膠管與航空器貨艙門的距離、行李個數等信息進行采集，然后通過ZigBee-WLAN/Ethemet混合網絡將信息傳輸至監控中心處理成時間節點并存儲，從而實現對該車輛服務時間與服務量的計量管理；此系統能準確采集行李秤上的稱重模塊信息，并穩定傳輸至地面監控中心，為航空公司與機場提供自動化、便捷、精確的計量管理方式，具有一定的實用性與參考價值。 隨著中國航空業的大力發展，機場的年吞吐量越來越大，而每個航班都需要行李秤,從而導致該類車輛的數目越來越多叫。隨著行李秤數目的增多，獲取該車輛服務航班架次數、工作時間、行駛里程、行李傳送件數等數據信息也越來越多，對每一輛行李秤的監控、管理工作量也越來越大A3］。 國內現有的方案只是針對機場特種車輛的調度，而對機場車輛工作狀態的監測還處于空白階段。目前，中國國內機場對行李秤的管理模式還是通過地勤人員的記錄結果輸入數據庫，然后定期與航空公司結算費用。這樣的管理模式具有很大的弊端，如人員記錄的不準確與結算中心錄入數據的不準確等。同樣國外現有的方案只是監測機場車輛的位置,沒有對機場車輛的工作狀態進行監測，因此國外機場對特種車輛的服務時間以及服務量的監測還處于探索階段例 近年來.Zigbee在機場上的應用主要包括機場鳥情監控系統、機場機房環境采集數據系統以及網絡圍界報警系統等®1。但考慮到Zigbee網關頻帶窄、傳輸距離短以及監測范圍不足，且機場機坪有近機位與遠機位，監控中心數據量大，導致ZigBee網絡帶寬無法滿足要求。 為此,提出一種基于ZigBee-WLAN/Ethernet的機場行李秤計量管理系統的方案,主要實現對該車輛進行精確定位以及服務時間與服務量的精確計量計費。通過實現這套設計方案，可節省人力物力，提高行李秤的工作效率,加強機場對行李秤的監控和管理力度，為機場與航空公司提供更加精確、便捷的計量管理方式。 1系統總體設計 本系統主要由終端節點、協調器、網關節點、機場生產網絡和地面監控中心組成。終端節點數據進行管理并對該車輛進行調度，即監測該車輛的運行軌跡和管理收集到的數據信息，為保障航班正常率和統計工作量提供數據支撐。 為實現對行李秤的計量，需對其作業開始時間、結束時間及行李傳送個數進行監測。本系統定義開始工作的判斷方法為：當壓力稱重模塊監測到壓力值大于9800N且距離稱重模塊數值大于3cm小于5cm時，判定行李秤已接觸航空器貨艙門并開始工作，并把同時滿足這2個條件的時間作為開始時間。當壓力稱重模塊監測到壓力值為0且距離稱重模塊數值大于5cm時，認定行李秤結束工作，并把同時滿足這2個條件的時間作為結束時間。中間過程中計數器的個數即為旅客行李個數。對行李秤的服務位置判斷主要利用GPS定位技術，通過GPS定位信息進行比對,判斷該車輛為哪一架次航班服務，并結合位置信息判斷服務航班的航班號,從而實現對其作業時間與作業量的計量。 2.1終端節點硬件設計 終端節點硬件設計主要由稱重模塊、ZigBee收發器、身份識別模塊、定位模塊以及電源模塊構成。 終端節點的功能是對行李秤的位置、工作狀態等信息進行監測并進行數據上傳，同時接收監控中心下發的通知與調度信息叫由稱重模塊、身份識別器、定位模塊、無線通信模塊組成。其中稱重模塊包括計數稱重模塊、壓力稱重模塊與距離稱重模塊。計數傳感器安裝在履帶頂端，實現對旅客行李個數的計數。壓力稱重模塊安裝在4個液壓油缸撐角上,用于監測油缸撐角壓力，以確定該車輛是否開始傳送行李。距離傳感器安裝在履帶橡膠管末端，用于確定履帶頂端緩沖橡膠管是否接觸航空器貨艙門。 協調器的功能是實現對ZigBee網絡的建立、管理、數據指令的接收與轉發。網關節點的作用是實現ZigBee協議與機場生產網協議的互相轉換，其按照信號的傳輸距離分布在機坪、停機位等行李秤活動范圍俱考慮機場的特殊環境，設計Zigbee-WLAN/Ethernet混合網絡網關，包括ZigBee轉Ethernet模塊，實現機場近機位、航站樓的網絡覆蓋；以及ZigBee轉WLAN模塊，實現機場遠機位以及沒有有線網絡環境的網絡覆蓋。地面監控中心對機場行李秤的運行 結合行李秤的實際情況，可知距離稱重模塊與壓力稱重模塊的安裝位置與安裝在駕駛室的CC2531處理器間的距離較遠，使用型號為MAX3082的485驅動器將距離信息轉換為串行數據并通過485雙絞線進行遠距離傳輸。壓力稱重模塊內部自帶一個AD轉換器，可將模擬量轉換為數字量并通過485驅動遠距離傳輸至串口分配器。串口分配器將兩路串行數據合成一路串行數據并通過UART0傳輸至CC253U。 身份識別模塊通過USB與CC2531相連，主要負責對行李秤工作人員的身份確認。定位模塊通過RS232與CC2531相連，以確定行李秤的行車軌跡,保證該車輛到達服務機坪。 為了確定履帶頂端橡膠管離航空器貨艙門之間的距離，在履帶頂端安裝DLS-A15激光測距稱重模塊。當飛機使用“二次對靠”法對靠航空器貨艙門時，可以通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離，然后將距離信息轉換為串行數據并遠距離傳輸至CC2531處理器。為了確定行李秤當前工作環境，使用PT100溫度稱重模塊采集溫度，并通過PO_1口將模擬信號轉換為數字信號傳輸至CC2531。 為了對行李傳送個數進行計數，在履帶中間安裝對射式紅外稱重模塊。當旅客行李經過紅外線時，接收機接收不到發射信號，則稱重模塊產生一個脈沖信號，通過P0_0口傳輸至CC2531中，同時計數器計數得到傳送個數。為了確定該行李秤是否開始傳送行李，需使用NS-B型壓力稱重模塊測量該車輛油缸撐角壓力信息。此壓力稱重模塊的4個應變片組成1個電橋，當油缸撐角產生壓力時，電橋形成電勢差E,并經過放大器放大后，通過稱重模塊內部的AD轉換器將模擬信號轉換為數字信號，并通過485驅動將壓力信息發送至CC2531處理器。 2.2終端節點數據采集軟件設計 終端節點數據采集軟件設計使用ZigBee網絡對終端節點進行組網， 設備上電后，終端節點發出入網請求，申請加入ZigBee網絡。入網成功后，使用定時器T2定時1s采集位置與稱重模塊信息。通過行李秤上定位模塊中的稱重模塊實時采集坐標信息，并通過定位算法處理成位置信息,通過位置信息比對可以確定行李秤是否到達服務機坪。 到達機坪后，終端節點依次采集壓力信息、距離信息、溫度信息與旅客行李個數信息。當微處理器接收到判定油缸撐角壓力值大于9800N、履帶頂端緩沖橡膠管與航空器艙門之間的距離大于3cm小于5cm以及計數器數值開始增加這3個條件滿足時，終端節點采集數據并發送至服務器。若沒有接收到壓力變化信息、距離變化信息以及計數器個數變化信息時，安裝在駕駛室的指示燈亮,工作人員通過終端上的按鈕手動確認是否繼續采集稱重模塊信息。 2.3定位算法設計 本設計從定位技術的成本、精確度、搜索速度以及工作范圍等因素考慮，選取偽距差分GPS定位技術。差分GPS定位系統主要由基站與移動站構成。基站的位置需要固定，且具有良好的視野,可準確接收衛星信號，考慮機場的環境，可選取機場相對較高的塔臺或航站樓作為基站,并將基站與機場的服務器相連接葉可。移動站即為安裝在行李秤上的終端節點，多個車輛可同時工作。 在運動過程中，基站與移動站同步觀測GPS衛星,則可以得到在t時刻時基站r與移動站k到衛星j的偽距值分別為pr=Pn+c^dti-dTj+dpr+d1^+d!nmp(1)P：=兀+c(dti-dTQ+晰+d丄+政叩⑵其中就為t時刻時r到j的真實距離由為衛星j相對于GPS系統時的偏差;涉7；為基準接收機時鐘相對GPS系統時的偏差;羅為衛星星歷誤差在基站造成的距離偏差;為電離層延時在基站造成的距離誤差；＜為對流層延時在基站造成的距離誤差;c為光速。 由于星歷誤差、電離層誤差與對流層誤差,GPS接收機直接測量的偽距存在著誤差,兩者之間的誤差即為偽距校正值H。行李秤在測偽距的同時，接收來自基站的偽距校正值,用來改善其偽距值,又因在機場環境下，差分GPS站間距離小于100km,可基本消除衛星星歷誤差、衛星鐘誤差、電離層誤差與對流層誤差。則可得到改正的偽距值為+電=/4+”既_現,)=-X)+(yJ一》尸+(，一Z)+d(3) 此時，基站與移動站同時觀測4顆GPS衛星，用字母l、m、n表示另外3顆衛星，則可以列出一個方程組為p；+M=V3-羽)2+(W-%)2+(，-Z"+dP；+y=\/(照-用)2+(殆-匕)2+(/_%)〒+dP：+4>?=V(xra-Xk)2+(Yn-Yk)2+(Zm-Zk)2+d+^pr^van-jj2+(yB-yj2+(z"-ztF+d (4)其中:X」、Y」、Zi為衛星丿在t時刻的在軌位置。由式(4)可知，未知量為X.、y，、ZM,則可通過4個方程解出移動站用戶接收機在t時刻的三維位置(x*,n,%)。 因此，基站接收衛星發送的位置信息，將此信息與已知的基站精確位置作比較,得到基站的差分校準信息。因為基站與服務器相連接，所以服務器將差分校準信息打包成數據幀形式，通過系統的下行鏈路(監控中心至終端節點)發送GPS校準信息至車輛終端。當行李秤接收到GPS校準信息后，通過與自身獲得的衛星發送信號比對，得到該車輛的準確位置信息,并傳輸至監控中心。 3網關節點設計 3.1網關節點硬件設計 網關節點硬件主要包括工控機、Ethernet模塊、ZigBee收發器與WLAN模塊等叫坷，Ethernet模塊主要采用Ethernet芯片W5300來進行驅動,WLAN模塊主要采用AR9344芯片進行驅動。工控機主要用于完成對外圍設備接口的信號采集與工作處理，并實現Ethernet模塊與WLAN模塊的轉換。即通過査詢的方式接收數據幀，并判斷由Ethernet模塊轉發還是由WLAN模塊轉發。設計時采用工控機連接擴展各個外圍接口電路，并通過UART接口與ZigBee收發器相連，采用FSMC總線方式與Ethernet模塊連接，采用SPI總線方式與WLAN模塊相連。 Ethernet驅動部分主要負責將網關采集的數據轉換為Ethernet協議數據，通過網絡接口傳輸至機場生產網絡。反之，接收Ethernet的數據，存儲到接收緩沖區以供控制部分讀取并進行處理。WLAN模塊主要是將工控機處理后的串行數據幀轉換為WLAN數據幀,并通過內部的RF模塊將數據發送至機場生產網絡。 3.2網關軟件設計 在網關軟件設計中，首行相關設備的初始化,再進行ZigBee數據幀的傳輸。首先通過數據傳輸方式判斷ZigBee數據幀是否傳輸至WLAN網絡，當數據幀傳輸至WLAN網絡時，網關節點判斷是否接收到ZigBee數據幀。若接收到的是ZigBee數據幀，則進行WLAN的TCP/IP封裝，并通過WLAN將數據幀發送至服務器。若接收到的是WLAN幀,則進行TCP/IP解封裝,再通過ZigBee轉發至服務器。 當ZigBee數據幀傳輸至Ethernet網絡時，網關節點判斷是否收到ZigBee數據幀。若收到的是ZigBee數據幀，則進行Ethernet的TCP/IP封裝，并通過Ethernet將數據幀發送至服務器。若接收到的是WLAN幀,則進行TCP/IP解封裝，再通過ZigBee轉發至服務器。 4上位機實現與測試 4.1數據傳輸測試 為了確定系統的穩定可靠性，建立一個基于混合網絡的機場行李秤計量系統。實現由監控中心在不同時間、不同地點、不同天氣下對信號的丟包率進行測試。根據行李秤的工作時間，在一天范圍內抽取5個時間節點：7：00、10：00、12：00、16：00、20：00。根據行李秤的行走路線，選取2個不同地點:機場廊橋下與機坪。根據天氣的不同，選取3種不同的天氣:晴天、雨天、陰天。在此，終端節點發送11219個信號，其實驗數據如表1所示。 監控界面主要包括服務架次航班信息、工作人員信息、旅客行李個數信息、溫度信息以及服務時間信息。如圖6所示，當行李秤對飛機進行過站服務時，通過機場運行數據庫得到當前需服務飛機的預計航班時間、航班號、機號、機型以及停機位信息，并在監控界面準確顯示。車載終端實時運行獲取GPS信息進程，并通過混合網絡發送至地面監控中心，由監控中心處理成位置信息并進行信息比對以判斷機場行李秤的實時位置。 通過身份識別器可確定工作人員的身份信息,溫度稱重模塊確定當前工作環境溫度，行李個數稱重模塊確定旅客行李的準確個數,并將相應信息準確顯示在監控界面上。同時,對行李秤工作狀態的監測也能準確通過服務起始時間、服務結束時間以及服務時間體現出來。行李秤作業完成后，通過服務時間進行計費，時間不滿1h,按1h收費，并將費用顯示在監控界面上。工作人員可通過系統查詢界面查詢行李傳送車的工作狀態信息。其系統運行的數據統計結果如圖7所示。 從表1可得，在不同天氣、不同地點、不同時間下的接收信號個數不同，根據丟包率=接收信號個數/終端節點發送信號個數，可得丟包率均在1%下,其誤差范圍較小。測試結果證明：系統數據傳輸正常、工作穩定、性能可靠。 4.2功能測試 監控系統軟件的數據庫設計基于SQLServer2008，開發語言采用VisualStudio2010平臺下的VisualC++。針對行李秤服務計量,截取對該車輛的計量監測與管理系統監控畫面。 測試結果表明，該計量管理系統人機交互界面友好，工作狀態信息查詢以及計量計費準確，具有一定的可行性與運行可靠性。 5結語 本文提出了一種基于ZigBee-WLAN/Ethernet的機場行李秤計量管理系統。釆用了稱重模塊節點與CC2531相結合的終端節點采集模塊進行數據采集。通過ZigBee-WLAN/Ethernet混合網絡將終端節點釆集到的數據傳輸至機場地面監控中心,實現了對行李秤的智能化管理。 | |
