基于無線傳感器網絡的飛行器結構健康監測系統的關鍵技術研究與應用

摘 要： 通過建立數據聚合器、時序引擎同步、無線同步信標和溫度補償機制，減小了無線節點之間的時序漂移量；通過利用智能開關、壓電懸臂梁結構、電化薄膜可充電電池，從而實現了無線節點的能量收集與儲存；通過實施ZigBee協議中所規定的安全服務方法，并且開啟基于沖突檢測的載波偵聽多路存取信道訪問方法和采用自適應跳頻技術，從而提高了無線通信的安全性與可靠性；通過設置無線節點工作模式的自動調節算法，優化了節點的能效。

關鍵詞： 無線傳感器網絡； 結構健康監測； 時序同步； 能量收集與儲存； ZigBee

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0028?05

0 引 言

目前，隨著飛行器的結構更加復雜、工作環境更加多變，導致需要連接更多的傳感器，用以監測飛行器的參數與狀態，如果僅憑借“硬連接”的方式，勢必會增加飛行器的重量和成本，從而制約飛行器的發展。然而，隨著無線傳感器網絡技術的日漸成熟，這種局面可能會徹底發生改變。

1 飛行器結構健康監測系統

飛行器結構健康監測系統（Vehicle Structural Health Monitoring System，VSHMS）是將先進的傳感器網絡集成到飛行器結構中，通過對結構健康狀況實時地監測，以確保飛行器的安全，并且能夠降低維護時間與成本。通過將無線傳感器網絡應用到VSHMS中，可以在很大程度上減少布線，從而壓縮系統的體積、重量以及成本，提高測試技術的靈活性和系統的可維護性，并且具備快速布局和實時傳輸動態信息的能力[1]，以至于能夠徹底實現飛行器的狀態維護（Condition?Based Maintenance， CBM）[2]，從而推動航空航天技術的發展。

目前，國內外針對VSHMS的研究工作，主要集中在相關節點與網絡的設計[1，3?5]以及狀態信息的提取與分析上[5?6]，但對于無線網絡與有線網絡的時序同步、無線節點的能量收集與儲存、無線通信的安全性與可靠性等關鍵技術，研究成果相對稀缺[7]。本研究針對上述問題，設計了一套解決方案，通過研制VSHMS原型機，驗證了其可行性。

1.1 無線傳感器網絡

如圖1所示，某飛行器的發動機、翼面、舵面等重要結構部件，在系統狀態發生變化或者出現故障時，其振動、應力、聲音、壓力、溫度等信號會攜帶著大量的狀態信息。通過對這些部位安裝傳感器節點，以作為無線網絡的終端設備，將采集到的傳感數據通過ZigBee路由器，向該網絡中惟一的PAN協調器無線傳輸，最后再匯聚到數據聚合器中，以作為飛行器結構健康監測的信息。

1.2 傳感器裝置

當飛行器中的某些部位受到布線限制或者維護相對困難，但卻需要安裝大量的傳感器節點時，可以考慮利用無線傳感器網絡加以實現，這些傳感器裝置通常包括了小功率級或者被動式傳感器，諸如：應變計、加速度計和熱電偶等；然而，當需要相對較高的采樣率或者功率級的傳感器裝置時，可以考慮利用硬連接總線加以實現，這些傳感器裝置通常包括了諸如陀螺儀、加速度計和磁強計等；除此之外，通過利用嵌入式全球定位系統（GPS）可以獲得飛行器的位置、速度以及時間信息，慣性傳感組件可以獲得飛行器的姿態（滾動、偏航和俯仰）信息。由于上述數據采用了多重采樣速率和時間戳，因此需要設計一種器件，能夠將不同類型的傳感數據聚合到單一的、可伸縮的數據庫中。

1.3 數據聚合器

數據聚合器可以用來同步記錄來自不同總線或者網絡中的無線和有線傳感器數據，其主要技術指標是：

（1）采用開放式架構的操作系統。

（2）提供時序同步平臺。

（3）數據保存在可擴展的傳感器數據庫中，并且可以將不同類型的數據歸檔到單一的文件中。

（4）可以聚合多重采樣速率的數據到單一的數據庫中。

（5）按照參數的不同類型，對數據進行分類排列，諸如時間戳或者傳感器類型。

（6）支持多種總線接口：CAN，IEEE 802.15.4，以太網，USB，RS 232，RS 422，RS 485等。

1.4 時序引擎同步

由于本設計中的VSHMS屬于分布式多重網絡拓撲，因此，需要同步系統中所有的數據采集點，即需要同步每個傳感器節點中嵌入式精密計時器的時鐘。Le Cam曾經報道過在每個智能傳感器節點上，使用嵌入式GPS模塊，從而實現了1 μs的絕對精度[8]，然而，這種方法必然導致了成本和體積的增加。

如圖2所示，時序引擎同步參照了MicroStrain公司提出的解決方案[9]，并且做出了相應的改進。該方案首先通過系統中惟一的GPS模塊向時序引擎提供精確的時間信息，時序引擎再通過外部時鐘觸發的方式，向所有的網絡控制器，同步提供精確的時鐘脈沖信號，最后，控制器憑借有線（硬）連接或者無線連接的方式，分別通過各自的同步機制發布時鐘信息，其中的無線控制器是通過無線同步信標機制，向節點定時廣播時鐘信號，以確保無線網絡與有線網絡的時序同步。

1.5 無線同步信標

由于在本設計中的無線網絡借助的是PAN協調器，因此，可以通過中央廣播同步信標機制，以校正無線傳感器節點之間的時漂。首先，無線網絡控制器需要向所有的節點，同時傳輸單播或者多播可設定地址的數據包，由于IEEE 802.15.4無線通信技術提供了廣播尋址功能，因此，通過開啟該功能可以將其實現；其次，由于同步數據包需要固定傳輸時序和接收時序，因此，通過利用在數據聚合器中的GPS作為精確的時序源，以驅動硬件中斷，從而觸發數據包的傳輸功能；最后，為了能夠使通信延遲最小化并且盡可能地恒定，需要利用硬件執行數據包的發送和接收功能，因此，在發送中斷請求到達接收端的主處理器之前，無線設備通過利用硬件狀態機，針對所有傳入的數據包進行解碼和錯誤檢驗等處理工作，以實現執行效能的最大化。

1.6 溫度補償

如圖3所示，除了在數據聚合器上需要精確的時序以外，在遠程分布式傳感器節點上的采樣時序也同樣需要很高的精度。因此，本設計首先通過板載溫度傳感器獲得即時溫度數據，再根據以前建立起的校準軟件查詢表中所對應的參數或者系數，微調振蕩電路，使其能夠在環境溫度發生變化的情況下，確保輸出頻率的精度，從而實現了一個具有低功耗的溫度補償機制。通過利用該機制，可以在數據聚合器上實現精確的1 Hz輸出頻率，以作為網絡控制器的時序同步的參考頻率；通過將該機制略加修改，可以在無線傳感器節點上實現從1 Hz～1 kHz的可調輸出頻率，以作為驅動主處理器上的傳感器采樣中斷。

1.7 智能開關

如圖3所示，維護和管理節點電池是無線傳感器網絡能夠被大范圍應用的主要障礙之一[10]。本設計選擇采用了MicroStrain公司專門針對無線傳感器網絡的自適應能量收集電子產品。該產品的特點是利用僅消耗納安培級電流的比較器作為智能開關，從而實現了電源控制，通過將智能開關運用到無線傳感器節點上，可以等待直到儲存的能量超過了設定的閾值時，該納安培級的比較器開關才閉合，從而允許節點正常工作，以確保能量收支的平衡[9]。該技術的應用對于VSHMS是非常關鍵的，特別是能量級別很低或者是間歇性的應用時，儲存的能量級別可能不足以維持無線傳感器節點的長期工作，如果沒有該智能開關的話，VSHMS就始終無法正常使用。

1.8 能量收集與儲存

為了提高傳感器網絡的自主性，需要研究一種方法，以實現節點電池的充電。Hagerty等人介紹了一種能量收集方法，可以回收周圍環境的微波能量[11]，但這種方法可能不適用于翼面或者舵面結構。本設計中的能量收集是根據壓電效應，通過使用壓電（PZT）材料，將結構中的應變能量轉換為電能，以作為傳感器節點的能量收集來源。

如圖4所示，通過將PZT放置在50 mm長的錐形彎曲懸臂梁的頂部和底部，利用錐形懸臂結構，在壓電元件上創造出幾乎均勻的應變場。壓電材料采用的是Smart Material公司的P2類型宏纖維復合材料（Macro Fiber Composites， MFC）。在懸臂梁的末端附著一個250 g的質量塊，其共振頻率大約為60 Hz。通過使用上述結構，傳感器節點可以收集來自振動機械和旋轉結構的能量。

由于電化薄膜可充電電池能夠連續補充充電和小電流充電，并且具有非常低的泄漏，無記憶效應，能夠反復充電并且性能穩定，因此，該類型電池可以作為傳感器節點的能量儲存元件。

1.9 無線通信的安全性與可靠性

由于無線通信的傳輸介質相比有線通信，存在著更多的安全性問題，為了防止憑借無線通信網絡故意干擾、影響、入侵VSHMS。本設計嚴格實施ZigBee協議所規定的安全服務方法，諸如：密鑰建立、密鑰傳送、幀保護和設備管理。除此之外，還采用了一些諸如：無線和有線網絡的網關分離，設備的健壯和用戶身份的驗證，基于地址和協議的流量過濾，無線和有線區域的監控和入侵檢測等多層防御措施[12]，以達到針對VSHMS的深度防御[13]。

由于在飛行器中含有大量的電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI），從而增加了白噪聲基底，并且減少了傳輸的信噪品質，這勢必會影響ZigBee網絡的可靠性，由于IEEE 802.15.4的MAC層是基于沖突檢測的載波偵聽多路存取（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance， CSMA/CA）信道訪問方法，因此，通過開啟該功能，EMI可以得到部分緩解。

除了EMI，正在傳輸的ZigBee設備所產生的射頻干擾（Radio Frequency Interference，RFI）也可能會影響飛行器的其他控制和監控設備。但是由于ZigBee終端設備睡眠時間的占空比相對較大，僅是周期性喚醒以發送或者接收消息，并且具有相對較低的功率級，因此，該類型設備不太可能成為干擾源，反而可能成為其他高功率無線通信系統的負干擾源。然而，對于高占空比和高功率的PAN協調器和ZigBee路由器，可能會產生更多的射頻干擾，因此，本設計采用了自適應跳頻技術，通過配置跳頻信道和跳頻圖案，以實現發射功率的最小化，除此之外，通過優化無線通信網絡的拓撲結構，使上述設備遠離飛行器的敏感設備以及其他類型的無線發射器，最終可以有效地控制RFI。

2 系統測試

由于受到實驗條件以及項目經費的限制，目前尚未進行機載或者彈上試驗，僅在地面，根據某飛行器的結構，建立起一套VSHMS，以驗證其可行性。

2.1 無線同步信標與溫度補償的效果測試

為了分析無線同步信標的使用效果，使用了三組不同的實驗設置，以比較時序的漂移量。第一組實驗：將無線節點放置在溫控環境箱內，其電子裝置被直接暴露于箱內空氣中，不采用任何形式的熱絕緣，環境溫度被控制在-40～120 ℃之間，進行循環變化，共計12 h，24個周期，啟用溫度補償，并且每隔60 s重新同步信標一次；第二組實驗：采用第一組相同的設置，但禁用溫度補償，僅在測試的開始時刻發送計時信標一次；第三組實驗：采用第一組相同的設置，但環境溫度被恒定控制在室溫27 ℃。

如圖5所示，由于第三組的環境溫度恒定，因此，將第三組的實驗結果作為測試標準，經12 h之后，可以發現第一組的實驗結果與第三組的實驗結果幾乎完全吻合，而相比之下，第二組的實驗結果卻相差很大，其時序同步精度誤差經測量大約為57 ms，其每秒漂移率大約為0.057/（12×60×60） ≈ 1.32×10-6。由于第一組實驗采用的是60 s的同步信標間隔，從理論上可以得到：其最大時序偏移量應當由每秒最大漂移率乘以60 s，若使用相對漂移率計算第一組的實驗結果，其大約為60×1.32×10-6 ≈ 80 μs。由于傳感器的最高采樣率為128 Hz，即最大分辨率被限制為7.812 5 ms，因此，若采用第一組的實驗設置，時序同步精度誤差對于分辨率的影響可以忽略不計；若采用第二組的實驗設置，即禁用無線同步信標與溫度補償，時序同步精度誤差會嚴重影響分辨率，若長期使用所造成的累積誤差也會影響傳感數據時間戳的精度。

由此可以驗證，基于無線同步信標與溫度補償機制，可以有效地克服由于環境溫度、器件精度等原因造成的無線節點之間的時序漂移問題。

2.2 數據監測和無線節點工作模式的自動調節

以加速度計作為無線節點的傳感單元為例，由于采用的是體積小、測量精度高的雙軸MEMS加速度計，因此可以適用于測量翼面或者舵面等關鍵部位的振動加速度信號。

如圖6所示，為了節約電能，除了在硬件方面選用了低功耗的器件以外，在軟件方面，無線節點被設置成兩種工作模式，以實現電源管理，其工作流程是：當傳感數據處在設定的比較閾值范圍以內時，則工作在通常模式下，此時加速度計的采樣頻率被設置為32 Hz，數據被臨時儲存在FLASH存儲器中，ZigBee無線通信模塊被設置為每隔60 s喚醒一次，以將存儲的數據打包上傳給數據聚合器，并且接受來自數據聚合器的同步信標，此時的數據最大延遲理論上為60 s；當傳感數據超出了比較閾值范圍以外時，則變換到突發模式下，此時加速計的采樣頻率被提高到128 Hz，無線通信模塊不再啟用休眠狀態，節點向數據聚合器實時上傳數據，以便于其跟蹤監測，在突發模式下，對于工作模式的選擇采用的是比較數據的變化率，當變化率大于其設定值范圍時，則節點仍舊處在突發模式下，當變化率小于其設定值范圍并且能夠持續穩定一段時間時，節點將自動變換回通常模式，并且根據當前的穩定狀態，重新設定比較閾值。

如圖7所示，該設計中的VSHMS可以通過有線網絡和無線網絡實時地監測多個目標結構的GPS、慣性、加速度、溫度、濕度、光照數據。為了更好地驗證加速度監測功能的靈敏性和實時性，此次驗證試驗不采用加速度可穩定變化的升降臺，而采用手動的方式。通過將節點由地面移動至距地1 m處的平臺上，經15 s后再將其移回地面，以記錄監測數據。

如表1所示，由VSHMS記錄的監測數據可以得到：在第3 616.812 5 s之前，節點工作在通常模式下，即1/32 s采集數據一次；在第3 616.843 8 s處，由于加速度數據為0.252 2 g，超過了先前設定的比較閾值±0.25，節點變換到突發模式下，即1/128 s采集數據一次，并且實時上傳數據。

如表2所示，由于持續穩定時間被設置為10 s，在第3 683 s之后的數據變化率持續低于變化率閾值±0.05，因此在第3 693 s節點變換回通常模式下，同時根據當前的數據值，重新設定了比較閾值為-0.01±0.25。

由于在該設計中的無線節點電能均來自于外部收集的能量，以至于在某些特定情況下，儲存的電能不能夠長期維持節點的實時工作，因此，對于無線通信模塊這種高能耗單元，可以通過啟用硬件制造商所提供的休眠狀態，以節約寶貴的能量。由于本設計采用了兩種閾值的比較以確定工作模式的方法，從而能夠避免數據的短期穩定，造成工作模式的反復轉換，并且能夠根據新的穩定狀態而重新設定閾值。下一步，將在工作模式的判斷上加入自適應控制算法，根據數據的特征，自動調整閾值范圍和持續時間，以至于能夠更加有效地完成節點的數據采集與傳輸工作。

3 結 語

由于軍用飛行器的飛行條件更加惡劣，甚至會出現普通飛行器所不會遇到的戰損狀況，因此需要增加更多的傳感器，以保障飛行器的安全。本設計通過將無線傳感器網絡應用于VSHMS中，實現了飛行器結構健康監測的基本功能，并且很好地解決了數據聚合、時序同步和能量收集與儲存等關鍵技術問題。下一步的工作是完善該系統，諸如：通過采用無線定位技術，實現目標的定位；通過采用統一的無線通信網絡，實現傳感器與驅動器的二網融合。總之，該系統具有非常廣泛的研究與應用前景。

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