本發(fā)明涉及的是一種飛行器領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的臨近空間飛艇狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

為保證飛行器在空中的可靠運行，一般都會在飛行器上設(shè)計一套狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，通過在飛行器的特定位置布置相應(yīng)的傳感器，如應(yīng)變、溫度等傳感器，通過對上述信號的采集處理來判斷飛行器是否狀態(tài)工作。例如要想獲得柔性蒙皮材料的應(yīng)變測量數(shù)據(jù)，首先要在蒙皮的不同部位上安裝布置大量的應(yīng)變傳感器。而在蒙皮材料上布置的傳感器越多，獲得的蒙皮材料應(yīng)變數(shù)據(jù)就越完整，同時對于蒙皮材料進(jìn)一步結(jié)構(gòu)設(shè)計以及浮空器安全狀態(tài)實時監(jiān)測的幫助也就越大。在傳統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)計方案中，傳感器通常采用有線通信和集中供電的方式，即傳感器與浮空器任務(wù)管理中心之間的信息傳輸采用有線通信方式，同時傳感器所需的能源由浮空器能源系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行提供。按照常規(guī)設(shè)計思路，每個傳感器與任務(wù)管理中心和能源系統(tǒng)之間都需要線纜來完成數(shù)據(jù)的傳輸以及能源的供給。對于臨近空間巨型浮空器而言，需要大量的傳感器來完成應(yīng)變的監(jiān)測，而隨著傳感器數(shù)目的增加，大量的電纜線會對整個浮空器平臺產(chǎn)生很不利的影響，如：增加了平臺的重量，從而降低了浮空器平臺的有效載荷重量；過多的線纜大大降低整個監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性；大量的傳感器使得任務(wù)管理中心的數(shù)據(jù)采集接口更為復(fù)雜；采用有線連接方式，可擴展性差，增加和改變傳感器部分比較困難；因此，在臨近空間飛艇上用傳統(tǒng)方式進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，存在很大的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)多采用星型拓?fù)滏溄?，因此資源共享能力差，且一旦中央節(jié)點出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。對于長期駐空的臨近空間大尺度飛艇的多點狀態(tài)數(shù)據(jù)采集而言可靠性較低。

存在的上述不足，提出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的臨近空間飛艇狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)監(jiān)視信號穩(wěn)定、準(zhǔn)確地傳輸至艇載控制模塊，并盡量產(chǎn)生較少的額外重量，影響飛艇本身的承載能力。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：布置于飛艇內(nèi)不同位置的若干簇傳感器節(jié)點、設(shè)置于每個簇中的中繼節(jié)點、與所有中繼節(jié)點相連通的匯聚節(jié)點以及與匯聚節(jié)點相連的艇載控制模塊，其中：傳感器節(jié)點采集應(yīng)變、溫度、壓差等監(jiān)測量并轉(zhuǎn)換為電信號后輸出至中繼節(jié)點，中繼節(jié)點不參與信號采集且僅轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)的傳感器節(jié)點所獲得的信號至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點與艇載控制模塊相連，并傳輸可傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息。

所述的傳感器節(jié)點包括：傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線通信單元以及能量管理單元，通過將飛艇表面劃分為若干個區(qū)域，大量傳感器節(jié)點部署在飛艇上，每個區(qū)域稱之為一個節(jié)點簇。

所述的傳感單元包括：應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、壓差傳感器和AD轉(zhuǎn)換器。

所述的數(shù)據(jù)處理單元包括：存儲器和含有嵌入式操作系統(tǒng)的處理器。

所述的無線通信單元包括：無線通信收發(fā)機構(gòu)。

所述的中繼節(jié)點之間通過無線方式連接，且中繼節(jié)點與匯聚節(jié)點相連，中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的電信號沿著其他中繼傳感器節(jié)點逐跳進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個中繼節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由傳至匯聚節(jié)點，最后通過有線方式到達(dá)艇載計算機。

所述的匯聚節(jié)點包括：處理單元、無線通信單元以及有線通信接口單元。

所述的艇載控制模塊包括：處理器單元、無線通信單元、能量管理單元以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制單元。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有效解決了臨近空間巨型柔性飛艇的狀態(tài)監(jiān)視問題，可推廣到所有臨近空間飛行器的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中；同時本發(fā)明的具有很高的可靠性，整個狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工作過程中，即使單個傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障，剩余節(jié)點會自動進(jìn)行自組網(wǎng)，而不會影響整個系統(tǒng)的運行。本發(fā)明的傳感器節(jié)點可以同時采集應(yīng)變、溫度、壓差等信號，而且可以根據(jù)需要增加其它類型傳感器。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖；

圖2為直流電橋示意圖；

圖3為傳感器節(jié)點應(yīng)用程序流程圖；

圖4為數(shù)據(jù)采集流程圖。

具體實施方式

如圖1所示，本實施例包括：布置于飛艇內(nèi)不同位置的若干簇傳感器節(jié)點、設(shè)置于每個簇中的中繼節(jié)點、與所有中繼節(jié)點相連通的匯聚節(jié)點以及與匯聚節(jié)點相連的艇載控制模塊，其中：傳感器節(jié)點采集應(yīng)變監(jiān)測量并轉(zhuǎn)換為電信號后輸出至中繼節(jié)點，中繼節(jié)點不參與信號采集且僅轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)的傳感器節(jié)點所獲得的信號至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過串口或者USB借口與艇載控制模塊相連，并傳輸可傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息。

所述的傳感器節(jié)點的傳感單元具體包括：固定在柔性蒙皮上的電阻應(yīng)變片和與之相連的惠斯通電橋電路、放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路，其中：用于測量電阻的變化量的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變值信號通過惠斯通電橋電路轉(zhuǎn)為電壓信號輸出，電壓信號經(jīng)過傳感器節(jié)點中傳感單元的放大器放大后由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號后進(jìn)入傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理。

所述的惠斯通電橋如圖2所示，由R1、R2、R3、R4四個橋臂電阻組成，其中：電橋的A、C為電源輸入端，輸入直流電壓為UAC＝E，而電橋的B、D為輸出端，輸出電壓為UBD。應(yīng)變片工作時其電阻值變化很小，電橋相應(yīng)的輸出電壓也很小，因此測量電橋的輸出端一般直接接到放大器的輸入端進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路的輸出阻抗高很多，往往都在10MΩ以上，因此當(dāng)電橋輸出端直接接入放大器后，電橋的輸出電流可以忽略不計，可以認(rèn)為電橋輸出端是開路的，即IAB＝IBC。

本實施例中的惠斯通電橋的電橋臂R1＝R2＝R3＝R4，即等臂電橋，因此有：

其中：K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，E為電橋電壓，ε1～ε4為四個電橋臂上的應(yīng)變值。

所述的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)處理單元為傳感器節(jié)點的計算核心，它主要負(fù)責(zé)完成所有任務(wù)的管理和調(diào)度，控制指令的發(fā)送，算法的執(zhí)行以及采集數(shù)據(jù)的處理等。

所述的傳感器節(jié)點處理器單元是節(jié)點的控制核心，它通過外部接口與數(shù)據(jù)采集模塊相接后實現(xiàn)對監(jiān)測信息的采集，其本身負(fù)責(zé)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)送入無線通信單元。針對不同的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型，數(shù)據(jù)處理模塊的功能略有不同。對于傳感器節(jié)點而言，數(shù)據(jù)處理模塊主要作用是通過控制數(shù)據(jù)采集模塊上傳感器的開關(guān)來實現(xiàn)被監(jiān)測物理量數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過處理后將數(shù)據(jù)通過無線通信單元以多跳方式發(fā)送給中繼節(jié)點。對于中繼節(jié)點而言，數(shù)據(jù)處理模塊主要作用是接收所在區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后通過無線通信單元發(fā)送至匯聚節(jié)點，并將接收到的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給所在區(qū)的傳感器節(jié)點。對于匯聚節(jié)點而言，數(shù)據(jù)處理模塊主要作用是接收所有中繼節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并通過控制其內(nèi)部的串口或者USB接口與艇載計算機進(jìn)行通信，將收到的整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送給艇載計算機。同時，匯聚節(jié)點還將艇載計算機發(fā)送的指令轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點，對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的節(jié)點的工作狀態(tài)進(jìn)行管理。

所述的傳感器節(jié)點無線通信單元：無線通信單元是與數(shù)據(jù)處理模塊連接在一起，用于收發(fā)無線射頻信號的單元。其中，射頻芯片是無線通信單元的核心，射頻芯片選擇時需要盡量滿足功率高、低功耗、低成本等方面的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用2.4GHz頻段，因為該頻段無需申請許可證。

所述的傳感器節(jié)點能量管理單元：無線通信單元有電池和外部電源供電兩種方式。當(dāng)無線通信單元與數(shù)據(jù)采集板相連采集數(shù)據(jù)時，使用電池供電；當(dāng)調(diào)試無線通信單元的程序或者與USB轉(zhuǎn)虛擬串口相連作為基站時，采用板載供電，即通過PC連接的USB供電。為了確保兩種電源在不同的場合相互沒有影響，利用一個單刀雙制的開關(guān)選擇使用其中一種電源，兩種電源不能同時使用。

所述的傳感器節(jié)點的嵌入式軟件設(shè)計：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點其實是一種嵌入式系統(tǒng)，不過相對傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)而言，其對計算和能耗性能的限制更為明顯，傳統(tǒng)常用的嵌入式操作系統(tǒng)并不適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)。對于傳感器節(jié)點軟件而言，核心是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，用戶可利用操作系統(tǒng)有效管理傳感器節(jié)點的硬件資源以及相關(guān)任務(wù)的執(zhí)行，同時可以不必直接對硬件進(jìn)行編程，使開發(fā)節(jié)點應(yīng)用程序更為方便。

如圖3所示，為上述系統(tǒng)的控制方法，具體為：開啟傳感器節(jié)點電源后，系統(tǒng)開始初始化，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)等待，直到定時時間Tr到達(dá)才被激活，節(jié)點控制傳感器開始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)所有傳感器完成采集工作后將所有的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給中繼節(jié)點。如果節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則程序進(jìn)入等待狀態(tài)，Tr到達(dá)后繼續(xù)采集并處理數(shù)據(jù)，直到節(jié)點完成發(fā)送數(shù)據(jù)后再繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包；反之，則發(fā)送本次數(shù)據(jù)包。當(dāng)完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送后，返回一個信號量表示本次數(shù)據(jù)包發(fā)送成功，節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)，準(zhǔn)備開始下次采集數(shù)據(jù)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在多個傳感器節(jié)點，通過給每個節(jié)點設(shè)置不同的Tr，可以保證各個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包相互不沖突。因此，雖然采樣頻率相同，但不同的節(jié)點不會同時發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突的情況。

如圖4所示，為圖3中數(shù)據(jù)采集部分的詳細(xì)流程圖，數(shù)據(jù)采集開始后，首先進(jìn)行初始化，然后再初始化成功后發(fā)送測量指令，等待測量數(shù)據(jù)讀取結(jié)束，然后停止測量，數(shù)據(jù)采集結(jié)束。

上述具體實施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實施所限，在其范圍內(nèi)的各個實現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。