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

背景技術：

為保證飛行器在空中的可靠運行，一般都會在飛行器上設計一套狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，通過在飛行器的特定位置布置相應的傳感器，如應變、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變測量數(shù)據，首先要在蒙皮的不同部位上安裝布置大量的應變傳感器。而在蒙皮材料上布置的傳感器越多，獲得的蒙皮材料應變數(shù)據就越完整，同時對于蒙皮材料進一步結構設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)一進行提供。按照常規(guī)設計思路，每個傳感器與任務管理中心和能源系統(tǒng)之間都需要線纜來完成數(shù)據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管理中心的數(shù)據采集接口更為復雜；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)方式進行狀態(tài)監(jiān)視，存在很大的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術多采用星型拓撲鏈接，因此資源共享能力差，且一旦中央節(jié)點出現(xiàn)問題，將導致整個網絡癱瘓。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絡的臨近空間飛艇狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，通過無線傳感網絡將狀態(tài)監(jiān)視信號穩(wěn)定、準確地傳輸至艇載控制模塊，并盡量產生較少的額外重量，影響飛艇本身的承載能力。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：布置于飛艇內不同位置的若干簇傳感器節(jié)點、設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)點采集應變、溫度、壓差等監(jiān)測量并轉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發(fā)簇內的傳感器節(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)據信息。

所述的傳感器節(jié)點包括：傳感單元、數(shù)據處理單元、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：應變傳感器、溫度傳感器、壓差傳感器和AD轉換器。

所述的數(shù)據處理單元包括：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。

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)點轉發(fā)的電信號沿著其他中繼傳感器節(jié)點逐跳進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據可能被多個中繼節(jié)點處理，經過多跳路由傳至匯聚節(jié)點，最后通過有線方式到達艇載計算機。

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絡節(jié)點控制單元。

技術效果

與現(xiàn)有技術相比，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)點會自動進行自組網，而不會影響整個系統(tǒng)的運行。本發(fā)明的傳感器節(jié)點可以同時采集應變、溫度、壓差等信號，而且可以根據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)點應用程序流程圖；

圖4為數(shù)據采集流程圖。

具體實施方式

如圖1所示，本實施例包括：布置于飛艇內不同位置的若干簇傳感器節(jié)點、設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)點采集應變監(jiān)測量并轉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發(fā)簇內的傳感器節(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變片和與之相連的惠斯通電橋電路、放大電路以及A/D轉換電路，其中：用于測量電阻的變化量的電阻應變片將應變值信號通過惠斯通電橋電路轉為電壓信號輸出，電壓信號經過傳感器節(jié)點中傳感單元的放大器放大后由A/D轉換電路轉化成為數(shù)字信號后進入傳感器節(jié)點的數(shù)據處理單元進行處理。

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。應變片工作時其電阻值變化很小，電橋相應的輸出電壓也很小，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為應變片靈敏系數(shù)，E為電橋電壓，ε1～ε4為四個電橋臂上的應變值。

所述的傳感器節(jié)點數(shù)據處理單元為傳感器節(jié)點的計算核心，它主要負責完成所有任務的管理和調度，控制指令的發(fā)送，算法的執(zhí)行以及采集數(shù)據的處理等。

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)據采集模塊相接后實現(xiàn)對監(jiān)測信息的采集，其本身負責對采集數(shù)據進行處理，然后將處理后的數(shù)據送入無線通信單元。針對不同的無線傳感網絡節(jié)點類型，數(shù)據處理模塊的功能略有不同。對于傳感器節(jié)點而言，數(shù)據處理模塊主要作用是通過控制數(shù)據采集模塊上傳感器的開關來實現(xiàn)被監(jiān)測物理量數(shù)據的采集，經過處理后將數(shù)據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)據處理模塊主要作用是接收所在區(qū)域內的傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據，經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，并通過控制其內部的串口或者USB接口與艇載計算機進行通信，將收到的整個傳感器網絡的數(shù)據發(fā)送給艇載計算機。同時，匯聚節(jié)點還將艇載計算機發(fā)送的指令轉發(fā)給節(jié)點，對整個無線傳感器網絡范圍內的節(jié)點的工作狀態(tài)進行管理。

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。無線傳感器網絡使用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。當無線通信單元與數(shù)據采集板相連采集數(shù)據時，使用電池供電；當調試無線通信單元的程序或者與USB轉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)點的嵌入式軟件設計：無線傳感器網絡節(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絡。對于傳感器節(jié)點軟件而言，核心是無線傳感器網絡操作系統(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任務的執(zhí)行，同時可以不必直接對硬件進行編程，使開發(fā)節(jié)點應用程序更為方便。

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，然后進入休眠狀態(tài)等待，直到定時時間Tr到達才被激活，節(jié)點控制傳感器開始采集數(shù)據。當所有傳感器完成采集工作后將所有的數(shù)據打包發(fā)送給中繼節(jié)點。如果節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據，則程序進入等待狀態(tài)，Tr到達后繼續(xù)采集并處理數(shù)據，直到節(jié)點完成發(fā)送數(shù)據后再繼續(xù)發(fā)送數(shù)據包；反之，則發(fā)送本次數(shù)據包。當完成數(shù)據包的發(fā)送后，返回一個信號量表示本次數(shù)據包發(fā)送成功，節(jié)點進入休眠狀態(tài)，準備開始下次采集數(shù)據。由于傳感器網絡中存在多個傳感器節(jié)點，通過給每個節(jié)點設置不同的Tr，可以保證各個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據包相互不沖突。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，從而避免產生數(shù)據沖突的情況。

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

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