基于LabVIEW的无线网络测控系统设计

樊英平，吴　凯，张庭瑜，梁　彬

(1.中国人民解放军69079部队, 乌鲁木齐　830013; 2. 中国人民解放军474医院,

乌鲁木齐　830013; 3.空军招飞局选拔中心, 兰州　730020)



基于LabVIEW的无线网络测控系统设计

樊英平1，吴凯2，张庭瑜3，梁彬1

(1.中国人民解放军69079部队, 乌鲁木齐830013; 2. 中国人民解放军474医院,

乌鲁木齐830013; 3.空军招飞局选拔中心, 兰州730020)

摘要:混沌序列用于扩频通信系统，具有码元丰富、保密性好的优点。理论分析了Logistic 混沌系统的定义、敏感性、李雅普诺夫指数以及相关性之后，采用Logistic 混沌序列进行图像加 密，并通过仿真和FPGA 硬件实现验证了算法的可行性。结果表明该加密系统抗攻击性强，并且 能够无失真的恢复原始图像。此外，本文提出的FPGA 硬件实现系统具有体积小、功耗低、图像保 密性好的特性。

关键词:Logistic 混沌映射; 图像加密系统; FPGA

0引言

目前，大部分的测量与控制系统是基于静态使用和有线通信实现的[1-2]，对于在野外条件下的远距离测控，存在笨重、 展开困难、 接口众多、 可靠性差等缺点。 虽然也有个别无线测控系统[3]，但由于这些系统采用近距离无线模块实现，一旦距离超过百米，数据传输的可靠性和数据的安全性都不能保证。 鉴于此，本文提出并设计了一个在野外动态条件下能快速展开和部署的系统平台，该系统平台可在短时间内，利用传感器或测量仪器对一定范围内的设备进行准确、 可靠地测量与控制，并保证测量数据的安全。

1硬件设计

硬件部分总体框图见图1。

图1无线网络测控系统硬件结构图

从图1中可以看出，硬件部分主要由无线数据采集模块、 终端控制模块(含远程无线通信模块)以及测控中心三部分组成。 其中，无线数据采集模块用来采集信号(模拟、 数字及元器件参数)，并将这些数据发送到终端控制模块。 终端控制模块起桥接作用，作为各个采集模块的汇聚中心，将测控中心的命令传送到无线数据采集模块，将分散的各个无线数据采集模块的数据汇总后，发送到测控中心。 测控中心是整个平台的控制中心，是人机交互的部分，负责发送采集命令和显示、 分析、 存储采集数据。

1.1无线数据采集模块

无线数据采集模块的结构灵活可变，可分为两种类型： 一种是由测量仪器、 WIFI模块(含电池)组成； 一种是由传感器(电压、 电流、 压力、 温度等)、 MCU、 WIFI模块组成。 对于前一种结构，本文给出示波器与WIFI组成的采集模块方案； 对于后一种结构，本文给出电压采集的模块方案。 两种方案中，WIFI模块都工作于TCP client模式。

1.2终端控制模块

终端控制模块由远程通信模块、 路由器、 嵌入式工控机、 WIFI模块等组成。 远程无线通信模块与测控中心的远程无线通信模块共同组成远程无线网络，保障测量数据远距离传输。 模块可实现点对点、 点对多点无线连接，满足3～20 km的无线传输要求。

路由器可以将多个远程通信模块接入测控网络，从而组成更大的测控平台。

嵌入式工控机具有网络接口和串口，能将远距离无线网络与近距离WIFI模块连接在一起，将从近距离无线模块得到的测量数据通过远程无线通信模块发送到测控中心。

WIFI模块与数据采集模块的工作模式不同，工作在TCP server模式，与各个无线数据采集终端(TCP client模式)进行通信, 起到了汇聚作用。

1.3测控中心

测控中心由工控机、 路由器、 远程无线通信模块和显示器等组成，是软件的载体。 工控机用来运行软件； 路由器将多个远程无线通信模块接入网络； 显示器用于人机交互。

2软件设计

软件设计是系统功能实现的关键技术点，包含对示波器、 数字表等仪器的编程控制以及加密模块的算法设计，用LabVIEW编写，系统主界面见图2。 图2中，左边是示波器区，含有波形显示、 状态显示和控制命令输入控件； 右边是数字表区，含有测量值显示、 测量类型、 测量量程及对应的各种状态。

软件按功能可分为示波器控制模块、 数字表控制模块和加解密模块三个模块。

图2系统主界面

2.1示波器控制模块设计

为便于系统的扩展与维护，将示波器控制模块按照四个层次进行设计，其结构图如图3所示。

图3中需要编写代码的有应用层和支持层。 应用层处于最上层，提供人机交互界面； 支持层为第二层，此层根据需要实现的功能共设计了8个子模块，用来对应用层提供支持和调用； 第三层为命令层，为支持层提供服务； 最下面为硬件层，也就是示波器的测量硬件。 由于示波器控制的子模块较多，此处不再赘述。

图3示波器控制模块层次图

2.2数字表控制模块设计

数字表的测量思路是先读取相应的功能字，从功能字中提取电压代码，再从状态字中判断是交流测量还是直流测量，接着判断测量模式。 如果是手动模式，根据量程计算出相应的测量值，并进行显示； 若是自动模式，则直接读取测量值显示。

2.3加解密模块设计

由于数据是在野外条件下用无线进行传输，信号容易泄露，考虑到数据的安全性，同时还要满足测量系统的实时性要求，选择logistic映射对测量数据进行了混沌加密[4-7]处理。 通过改变初值，生成不同的随机序列，并将循环100次后的序列作为密钥，使用此密钥与测量数据进行异或运算，实现加密和解密。

示波器波形矢量数据的加密步骤如下：

(1) 确定参数与初始值： 选择系统当前日期为初始变量，如2015年8月15日，则选择 0.201 581 5为初始变量，参数u=3.6，通信双方按相同的规定取值；

(2) 生成密钥： 根据波形数据的数量确定logistic映射循环次数，此处取2 500，然后取出相同数量的随机数，即2 500个随机数作为密钥；

(3) 加密： 将密钥与波形数据进行异或运算，生成加密数据；

(4) 发送加密后的数据。

解密步骤前两步与加密步骤相同，第三步是将密钥与加密数据进行异或运算，得到原始数据。 其他数据加密方式与此相同。

3测量实验

在野外使用本系统进行测量，测控中心与终端控制模块距离4 km左右，测控中心使用全向天线，终端控制模块使用定向天线，测试结果见下文。

3.1示波器测量实验

用无线数据采集模块连接示波器，分别对频率为1 kHz、 幅值为5 V的方波及频率为50 Hz、 幅值为150 V的正弦波进行测量，探头放大倍数为10X，测量结果见图4～5。

图4为对方波测量的结果，图5为对正弦波测量的结果。 可以看出，对示波器的控制和测量是正确的，得到的波形也是准确的。

图4　方波测量图

图5正弦波测量图

3.2混沌加密、 解密实验

对图4所示的波形数据的加密、 解密实验结果如图6～7所示。

图6　加密后方波图

图7解密后方波图

图6为加密后数据，图7为解密后的数据。 从图6～7可以看出，频率为1 kHz、 幅值为5 V的方波经过加密后，幅值已经完全没有规律，无法推测出具体的值，解密后的数据与原始数据相同，满足了数据安全的要求。

4结论

为满足野外条件下的快速测量需要，本文提出并设计了无线网络测控系统，该系统基于嵌入式工控机、 单片机、 远程无线数字微波等模块，用LABVIEW编写了软件平台。 从实验结果来看，该系统具有展开迅速、 测量准确、 数据安全等特点，满足了特殊条件下的测控要求。

参考文献：

[1] 孙传友, 孙晓斌. 测控系统原理与设计[M]. 2版. 北京： 北京航空航天大学出版社，2008.

[2] 韩九强，张新曼，刘瑞玲, 等. 现代测控技术与系统[M]. 北京： 清华大学出版社，2007.

[3] 潘晓烨，胡仁杰. 基于LabVIEW的无线温度测控系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2010(4)： 8-10.

[4] 于竿. 基于混沌的图像加密算法研究 [D]. 兰州： 兰州大学，2014.

[5] 聂春燕. 混沌理论及基于特定混沌系统的微弱信号检测方法研究[D] . 吉林： 吉林大学，2006.

[6] 骆开庆. 混沌的不可预测性及其在保密通信中应用的研究[D]. 广东： 华南理工大学，2013.

[7] 王雅庆. 基于混沌的数字图像加密算法研究[D]. 重庆： 重庆大学，2013.

Design of Wireless Network Measurement and Control System Based on LabVIEW

Fan Yingping1, Wu Kai2, Zhang Tingyu3, Liang Bin1

(1.Unit 69079 of PLA, Urumqi 830013, China； 2. Unit 474 Hospital of PLA, Urumqi 830013, China;3. The Air Force Pilot Selection Center, Lanzhou 730020,China)

Abstract:To solve the problems of remote measurement and control under the field condition,a wireless network measurement and control system architectrue is supposed, and the related hardware is designed. The module of measurement and control and the module of chaotic encryption algorithm are realized by code. The test results show that compared with related measurement and control system，it has the advantages of rapid expansion under field conditions, far transmission distance, increasing control node at will, simple operation, accurate and rapid measurement, data transmission security. The requirements for measurement and control under special conditions can be met.

Key words:LabVIEW; wireless measurement and control; network measurement and control; chaotic encryption

中图分类号:TP309． 7

文献标识码:A

文章编号:1673-5048( 2016) 02-0056-05

作者简介：樊英平(1974-)，男，山西运城人，博士，工程师，主要从事导航制导与控制方面的研究。

收稿日期：2015-09-06

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.02.015