一種面向航空結構的具有穿透能力的無線節點

袁慎芳， 凌必赟， 任元強， 高 尚

(南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京，210016)

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一種面向航空結構的具有穿透能力的無線節點

袁慎芳， 凌必赟， 任元強， 高 尚

(南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京，210016)

針對結構健康監測中應用的無線節點結構穿透能力差的問題，提出了一種面向航空結構的具有穿透能力的433 MHz無線節點的設計方法。給出了節點的詳細硬件設計及通訊協議設計方法，實驗對比了所設計節點和常規應變測試系統的應變測試結果，驗證了節點設計方法的正確性。在封閉飛機機翼盒段內部布置節點，實驗對比了所設計節點和基于2.4 GHz的Telosb節點的通信丟包率。結果表明，所設計節點的結構穿透能力強于Telosb節點。功耗測試結果也表明,所設計節點的功耗小于Telosb節點。

無線應變節點； 結構穿透能力；結構健康監測； 碳纖維復合材料機翼盒段

引 言

近年來，無線傳感器網絡(wireless sensor networks，簡稱WSNs)在結構健康監測領域得到了快速發展和廣泛應用。相對于有線信號傳輸，無線傳感器網絡具有輕質、經濟和易維護等優點[1-2]，并且能夠在不破壞結構的情況下實現信號的傳輸。以飛機和船舶結構為例，其內部結構多為封閉或半封閉，且對結構的氣密性和水密性有較高的要求，無線傳感器能夠保證在結構完整性的前提下實現監測功能。目前，無線傳感器越來越多地應用于封閉或半封閉結構的健康監測。Knight[3]指出對飛機密閉結構的載荷監測不能采用有線信號傳輸的方式。Microstrain公司將無線應變節點放置在F-22的機翼盒段內進行應變監測測試[4]。文獻[5]將無線傳感器布置在飛機的機翼結構和船舶船尾的密閉推進裝置內，分別用于對機翼紊流的監測和對船舶推進裝置水下工作環境的監測。但是，無線信號的傳播伴隨著能量的衰減，包括路徑損耗和穿透損耗。特別當無線傳感器處于封閉或半封閉的金屬結構時，該結構可以近似成一個法拉第籠[5-6]，巨大的穿透損耗可能導致無線信號無法穿透結構。即使最終穿透了結構，也會由于信號強度的劇減，導致丟包率的增加和穿透結構之后傳輸距離的縮短。數據重傳機制和中轉節點能夠在一定程度上緩解無線通訊質量下降的問題，但也相應地增加了網絡的功耗，占用了信道，降低了網絡的執行效率[7]。所以，研究并提高無線信號的結構穿透能力具有實際意義。

目前，用于結構健康監測的無線節點的工作頻段主要為IEEE802.15.4協議的2.4GHz。屬于工業科學醫學(industrial scientific medical，簡稱ISM)頻段的2.4 GHz在全世界范圍無需許可證，在工業中得到廣泛應用,但是2.4 GHz頻段在墻壁和金屬上的傳播會有很大的衰減。相對于2.4 GHz，433 MHz也屬于ISM頻段，由于頻率更低，所以433 MHz的結構穿透能力更強。另外，該頻段在各種系統中應用比較少，具有較好的傳輸特性[8]。

筆者針對無線信號結構穿透能力的問題，設計了一種具有結構穿透能力的無線應變節點。該節點采用信號穿透能力強的433 MHz頻段，發射功率為-1～20 dBm。介紹了節點的軟硬件研發和節點通訊協議的設計。實驗驗證了該無線應變監測節點的功能，比較了在碳纖維復合材料機翼盒段中該節點與Telosb節點的結構穿透能力，證明了該節點的結構穿透能力強于基于2.4 GHz的Telosb節點，其無線節點部分的功耗小于Telosb節點。

1 無線信號結構穿透能力

根據平面電磁場理論，無界均勻有耗介質內電磁波的電場表達式為

(1)

(2)

其中：E0為常矢量，代表電場矢量的起始振幅與極化方向；r為傳播方向的矢徑；α為幅值衰減系數；β為相位衰減系數；ω為無線信號工作頻率對應的角頻率；ε為介電常數；μ為磁導率。

由式(1)可知，電磁波的振幅隨著e-αr指數規律衰減。由式(2)可知，當介電常數和磁導率為確定值時，隨著無線信號工作頻率增加,幅值衰減系數也相應增加。所以，無線信號工作頻率越高，其在介質內的傳播損耗越大。郭山紅等[8]基于墻體穿透對電磁波的穿透能力進行了研究。除了電磁波在墻壁介質內傳輸外，還基于菲涅爾公式考慮了電磁波入射墻體和出射墻體的損耗。仿真結果表明，隨著無線信號工作頻率的升高，其穿透損耗也在升高。

除了仿真，實驗研究也證明了低頻無線信號的結構穿透能力更強、通訊質量更好。文獻[9]基于機器對機器(machine to machine,簡稱M2M)通信對433 MHz和2.4 GHz頻段上的穿透能力進行了比較，實驗證明了433 MHz傳輸距離更遠。Tanghe等[10]采用MoCo節點，基于集裝箱無線節點的工作環境，建立了路徑損耗模型，證明了433 MHz頻段上的穿透損耗低于2.4 GHz頻段。Isnin[11]比較了433，868和1 249 MHz 3個頻段在樓宇通信中的傳播性能，實驗證明433 MHz有更好的穿透性能。

根據理論和實驗分析可得，對于同為ISM頻段的433 MHz和2.4 GHz來說，433 MHz的結構穿透能力要強于2.4 GHz，所以筆者選用433 MHz作為傳輸頻段。

2 無線應變節點硬件設計與實現

具有結構穿透能力的無線應變節點的設計必須滿足應變監測信號采集轉換和無線信號穿透結構的要求。同時，也要實現節點的小型化、高速、低功耗和穩定性。其架構圖如圖1所示。

圖1 無線應變節點基本架構Fig.1 Hardware structure of wireless strain node

節點的硬件分成3個模塊：應變傳感模塊、主控模塊和無線通信模塊。應變傳感模塊輸出并調理應變監測信號。主控模塊承擔對應變監測數據的讀取、A/D轉換和對射頻模塊的操作任務。無線通信模塊負責無線信號的收發。

為了增強節點的無線信號穿透能力，無線通信模塊采用Silicon Labs公司的SI4432為核心的無線通信模塊。SI4432是一款高度集成的無線ISM 頻段收發芯片，其工作頻段范圍為240～930 MHz，具有極高的接收靈敏度(-121 dBm)，發射功率最高可達20 dBm。相對于目前常用的射頻芯片，其工作頻段包含無線信號結構穿透能力較強的433 MHz，具有更大的發射功率可調范圍。SI4432的TX引腳為射頻信號發送端，RXp和RXn引腳為差分信號接收端。MSP430F1611通過串行外設接口(serial peripheral interface,簡稱SPI)對SI4432進行寄存器的配置。SI4432通過nIRQ引腳將相應的中斷發送到主控模塊。該節點采用單天線進行數據的收發，用單刀雙擲芯片不斷切換節點的收發狀態。

應變傳感模塊共有4個應變傳感和信號調理通道。應變傳感模塊中，應變橋路的工作方式為單臂電橋，電阻的阻值為120Ω。電橋輸出的應變監測信號經過程控放大芯片的信號放大和濾波電路的低通濾波，傳輸到主控模塊。主控模塊以MSP430F1611微處理器為核心。MSP430系列微控制器是美國TI公司推出的超低功耗、高性能的16位混合信號處理器，內置有12位高精度A/D，并且A/D轉換速度超過200 ks/s。

節點的硬件實物如圖2所示。節點分為上下兩層，應變傳感模塊以應變監測電路板的形式位于下層；主控模塊和無線通信模塊以433 MHz無線節點的形式位于上層，并且設計有USB接口和串口轉USB芯片，使得節點在只有主控模塊和無線通信模塊時能夠用作接收節點。

3 無線應變節點軟件設計與實現

在應變數據無線傳輸過程中，發送和接收節點的工作遵循一定的協議流程。協議流程分3部分，分別為初始化部分、采集發送部分和接收上傳部分。

采集發送節點和接收節點初始化主要分成MCU初始化和SI4432初始化。MCU初始化設置包括設置MCU的時鐘系統、引腳、SPI接口和中斷系統等。接收節點額外需要設置接收節點MCU的串口和串口中斷向量。對SI4432的配置，主要配置調制解調方式、載波頻率、數據包格式、接收校驗、數據發送速率、接收濾波帶寬和發射功率等。無線通信參數的設置將決定節點的無線通信質量。關閉MCU和SI4432的部分時鐘系統降低節點的功耗，開啟接收節點的MCU串口中斷和采集發送節點的管腳下降沿觸發中斷，節點設置為低功耗模式等待觸發。

圖3 節點工作流程Fig.3 The workflow of node

采集發送流程圖如圖3(a)所示。采集發送節點收到控制命令后，初始化并開啟MCU的A/D和定時器，不斷觸發定時器中斷程序。定時器中斷觸發程序包括A/D采樣轉換、清空FIFO、關閉SI4432除發送中斷以外的所有中斷、將有效數據填入FIFO及使能發送功能等步驟。當數據包發送完成時，中斷信號引腳nIRQ會被拉低并告知MCU。MCU讀取中斷標志寄存器，該操作會自動拉高nIRQ，否則繼續等待。一次數據發送成功后關閉發送使能，進入下一次采集發送，循環往復。

接收上傳的流程圖如圖3(b)所示。接收節點在接收數據前先清空SI4432的FIFO，然后關閉SI4432除接收中斷外所有中斷，最后使用節點的接收功能，節點進入等待接收狀態。當節點接收完數據后，數據存儲在SI4432的FIFO中，引腳nIRQ變為低電平并觸發MCU的中斷觸發程序。在中斷觸發程序中，MCU分別讀取中斷標志寄存器，自動拉高了引腳nIRQ，關閉節點接收功能。從FIFO中讀取接收數據且通過串口向上位機上傳數據，然后進入下一次數據接收流程，循環往復。

4 實驗驗證

4.1 應變監測功能測試

實驗對象為碳纖維復合材料機翼盒段。在機翼盒段的背部鋁板上并排粘貼兩個電阻應變片，將其中一個電阻應變片連接到無線應變節點的輸入端口。節點將監測到的數據通過無線方式傳輸到基站節點，測試的數據實時顯示在上位機界面上。為了驗證節點測得的應變數據，將另一個電阻應變片與動態應變儀連接，實驗比較節點測得的應變數據與應變儀測得的應變數據。機翼盒段背部鋁板所受載荷由絲杠提供，通過旋轉絲杠調節載荷大小。電阻應變片與加載位置的距離不宜過小，過小會導致不同位置的應變劇烈變化，此處兩者相距30 cm。實驗系統如圖4所示。

圖4 應變監測功能驗證實驗系統Fig.4 Experiment setup with wireless stain node and dynamic strain meter for strain monitoring

分析節點協議執行時間、采集時間和無線發送時間等得出該應變節點的最大采樣率為410 Hz。將節點的采樣率設置成410 Hz。實驗時首先旋轉絲杠兩圈作為預應力，然后不斷旋轉絲杠，每次旋轉一圈。當數值穩定后采5 s應變數據做平均。前后共完成3次靜強度循環。表1為三輪靜力循環實驗的應變平均值和應變儀測量值。

表1 無線應變節點與應變儀的應變值對比

表1可知，無線應變節點測得應變數據與應變儀最大絕對偏差為2 με，最大相對偏差為1.7%，所以該無線應變節點能用于對結構的應變測量。

4.2 結構穿透能力測試

實驗對象為碳纖維復合材料機翼盒段。考慮到機翼盒段開口的大小，將無線應變節點的上層板即433 MHz無線節點置于機翼盒段內部進行數據采集和發送。碳纖維復合材料機翼盒段如圖5所示。分別將發送節點放置在圖5所示的位置1～6，測試在機翼盒段中的不同位置無線信號穿透機翼盒段的能力。

圖5 碳纖維復合材料機翼盒段Fig.5 Positions for transmitting node in wing box

實驗比較433 MHz無線節點和Telosb節點的無線信號穿透機翼盒段的能力。Telosb節點是CrossBow公司研制的一款基于Zigbee協議的無線傳感平臺，主控芯片也是MSP430系列，射頻芯片為CC2420，工作頻段為2.4 GHz，發射功率為-25～0 dBm。Telosb節點作為無線傳感平臺已應用于無線應變監測節點。另外，CC2420應用于Tmote-Sky和MICAZ等，為目前熟知的應變監測的無線傳感平臺。因此在結構穿透能力測試中，Telosb節點具有代表性。

實驗系統如圖6所示。接收節點置于一個支架，并且與計算機連接。發送節點置于機翼盒段中。發送節點與機翼盒段的最大距離為15 m。用鋁塊封住機翼盒段的所有開口，形成一個密閉空間。433 MHz無線節點與Telosb節點發射功率均設為-1 dBm，均采用與其頻段相對應的天線，天線的增益均為3 dB。以丟包率(packet loss rate，簡稱PLR)衡量通訊質量，每次無線信號的收發時間為15 min。測試機翼盒段和接收節點在不同距離下的丟包率。實驗結果如圖7所示。

圖6 結構穿透能力實驗系統Fig.6 Experiment setup for structure-penetrating test

圖7 433 MHz無線節點和Telosb節點丟包率Fig.7 PLR for different positions

由圖7可知，當發送節點與接收節點的距離在0～10 m時，433 MHz無線節點和Telosb節點的丟包率都為0左右。當發送節點與接收節點的距離增加到10 m以上時，Telosb節點的丟包率陡然上升，最后會維持在90%～100%。此時433 MHz無線節點的丟包率依然維持在0左右，可以證明433 MHz無線節點接收到的信號強度要高于Telosb節點，433 MHz頻段無線信號的結構穿透能力要強于2.4 GHz頻段。考慮到433 MHz無線節點的最大發射功率為20 dBm，遠大于Telosb節點的最大發射功率0 dBm，所以433 MHz無線節點的結構穿透能力將遠大于Telosb節點。

4.3 無線節點功耗測試

射頻芯片SI4432的發射功率有-1,2,5,8,11,14,17和20 dBm共8個檔位。分別測量了當采樣率為32Hz時433 MHz無線節點在各個發射功率下的功耗。功耗測試流程如圖8所示。

圖8 功耗測試流程圖Fig.8 The flow of energy consumption measurement

首先，實時測量節點輸入電流的波形；然后，對一個采集發送周期的電流波形進行積分；最后，乘以節點輸入電壓并除以采集發送周期的時間，得到節點的平均功耗。

P=U/T∫Tidt

(3)

其中:P為節點的平均功耗；T為一個采集發送周期；U為節點的輸入電流；i為在一個采集發送周期內的節點輸入電流。

節點功耗測試結果如表2所示。

表2 433 MHz無線節點功耗

以同樣的方法測量Telosb節點的功耗。當發送功率為-1 dBm、采樣率為32 Hz時，Telosb節點的功耗為68.1 mW，大于433 MHz無線節點在所有發射功率下的功耗。這是因為相對CC2420射頻芯片，SI4432射頻芯片具有低功耗的工作模式。當節點不處于發送狀態時，SI4432能被設置為低功耗狀態而非接收狀態，這大大減小了節點的輸入電流，減小了節點的功耗。通過理論和實驗分析可以證明，433 MHz無線節點的功耗小于Telosb節點。

5 結束語

針對飛機結構應變監測的需求，研制出了一種具有結構穿透能力的無線應變節點。該節點采用433 MHz頻段傳輸數據，實驗證明該節點能夠應用于應變監測；在相同發射功率下該節點比基于2.4 GHz的Telosb節點具有更強的結構穿透能力；無線部分的功耗小于Telosb節點。該無線應變節點能夠推進無線傳感網絡技術在飛機結構健康監測中的實際應用，對提高飛機結構安全、降低飛機維護成本具有重要意義。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.04.002

國家杰出青年基金資助項目(51225502)；江蘇省優勢學科創新平臺資助項目；南京航空航天大學研究生創新基地(實驗室)開放基金資助項目(kfjj130102);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(NN2012051)

2014-06-01；

2014-08-09

TP393; TH89

袁慎芳，女，1968年4月生，博士、教授、博士生導師。主要研究方向為結構健康監測、先進智能傳感技術、無線傳感器網絡和信號信息處理技術。曾發表《A miniaturized composite impact monitor and its evaluation research》(《Sensors and Actuators Physical》2012,No.184)等論文。

E-mail：ysf@nuaa.edu.cn