適用于火箭環(huán)境監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡應用研究

(北京遙測技術研究所，北京 100094)

0 引言

隨著航天飛行器技術的發(fā)展，箭載測試系統(tǒng)的規(guī)模和復雜程度日益提高，現(xiàn)役箭載測試系統(tǒng)在測點規(guī)模、測點靈活配置、線纜復雜布線、多參數(shù)集成測試和數(shù)據(jù)智能分析等方面難以滿足未來復雜航天器多樣化的測試要求。這就對基于無線技術的新型遙測系統(tǒng)提出了需求。與傳統(tǒng)測試系統(tǒng)相比，箭載無線傳感網(wǎng)絡在電纜網(wǎng)設計，智能化設計和系統(tǒng)組成具有諸多優(yōu)勢。目前，在國際上，美國成功的將無線傳感技術應用于航天領域，NASA曾在航天飛機上采用無線手段傳輸熱敏電阻的溫度數(shù)據(jù)；國際空間站Kibo試驗艙內采用無線微重力測量單元以實現(xiàn)對空間微重力的測量。自2016年以來，NASA已將基于能量收集技術的無線傳感測量系統(tǒng)進行試驗，并進行了三次成功的搭載實驗。相比國外情況，我國的箭載無線傳感網(wǎng)絡研究方興未艾，尚無法大規(guī)模滿足測量要求。其差距主要體現(xiàn)在可靠性、低功耗水平和智能化水平不足3個方面。2018年5月4日，我國航天科技一院一部長三乙搭載無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)首飛圓滿成功預示著這項技術具有革命性的發(fā)展前景[1]。

本文提出了一套適用于航天復雜環(huán)境中的無線組網(wǎng)的測量方案，采用了TDMA技術，實現(xiàn)了對不同節(jié)點的分時采集工作，并利用節(jié)點的精確時間同步、低功耗偵聽技術和超低的休眠功耗極大的延長了節(jié)點壽命；并通過功耗試驗和可靠性試驗證明了該系統(tǒng)具有功耗低，可靠性高的特點。

1 總體設計方案

1.1 系統(tǒng)整體設計

一個完整的無線傳感網(wǎng)絡主要包含了無線傳感節(jié)點，中繼節(jié)點和數(shù)據(jù)綜合處理裝置及PC端設備。各類型傳感器的功能為采集環(huán)境信息，如溫度濕度等，將信息以無線通訊的方式上傳至數(shù)據(jù)綜合處理裝置，如遠距離傳輸還需要中繼節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉發(fā)與傳遞。數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)綜合處理裝置以有線方式轉發(fā)至PC端設備，可通過PC端的成熟軟件進行對各個無線節(jié)點進行監(jiān)控。其整體框架以概念圖模型的形式總結如下：

圖1 系統(tǒng)設計概念圖

1.2 芯片選型

現(xiàn)階段國際市場中的各大知名院校均以取得科研成果作為最終目的，設計出大量具備低能效、高性能的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，其詳細參數(shù)及型號條件如表1所示。

表1 無線節(jié)點技術參數(shù)設置

CPU作為無線傳感器節(jié)點中的重要數(shù)據(jù)處理設備，可以單純的依靠射頻模塊對數(shù)據(jù)信號進行無線收發(fā)處理。但在過去的實踐過程中，射頻模塊和CPU總是保持獨立存在的連接狀態(tài)，不僅大大提升了硬件電路的鋪設難度，也使產品處理技術始終處于低級水平。隨著科學技術手段的進步，CPU和射頻模塊終于成為了合并芯片中的獨立組成結構，不僅有效降低了硬件電路的搭建難度，也充分簡化了外圍電路、縮小了傳感器節(jié)點所占物理體積，促使產品設計水平逐漸走向成熟。如表一中CUTEBOX節(jié)點和eZ430—Chronos節(jié)點，都是成熟的采用片上集成技術的芯片，其方案集成度高，周圍電路設計簡便，提高了系統(tǒng)的可靠性。

ISM Band是一種由ITU-R組織定義的系統(tǒng)頻段選擇方式，其主要承用對象包含工業(yè)、醫(yī)學、科學三大領域，且整個使用過程不包含任何的授權費用。為提升傳感器節(jié)點的綜合安全系數(shù)，在日常使用過程中只開放260～470 MHz、902～928 MHz、2.4 GHz三個免許可用頻段，對于不同國家或地區(qū)的多層次使用者來說，可以根據(jù)其自身所處的地域環(huán)境來選擇最為適宜的傳輸頻段。就目前情況來看，我國區(qū)域內所使用的ISM頻段大多為433 MHz或2.4 GHz，其它頻段雖也具備少部分使用者，但因國際限制等多方面因素，使得頻段自身的穩(wěn)定性仍然不能達到理想應用標準。從電磁波原理角度而言，波長越長，電磁波的傳播能力越強，同時傳輸?shù)乃俾试降汀？紤]到箭載無線傳感網(wǎng)絡處于箭載環(huán)境的狹小封閉且多障礙的環(huán)境中，無疑較小的頻率可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文設計的節(jié)點為緩變參數(shù)節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸量較小，且考慮到箭體內的遮擋環(huán)境，需要電磁波具有較強的繞射能力，故采用433 MHz的傳輸頻段。

綜合以上方面考慮,可選芯片型號為CC430F5137。片上基于CC1101內核射頻模塊的簡化框圖如圖2所示。

圖2 射頻模塊簡化框圖

RF1A內核中的所有發(fā)射器結構均是以射頻頻率作為合成基礎，且所有的用戶數(shù)據(jù)必須在經(jīng)過包處理器后，才能添加足夠的包同步字參數(shù)和地址信息，再經(jīng)由調制器傳輸至頻率合成器，完成后續(xù)的操作處理。頻率合成器包含一個LC壓控型振蕩器和一個90°相移器，當后信號進入功率放大器后，射頻模塊可自發(fā)通過天線組織對數(shù)字可調信號進行最大化處理，并將這些信號借助輸出組織傳輸?shù)礁骷壪慕Y構。CC1101內核作為射頻模塊的功耗優(yōu)化設備，具備完整的無線喚醒功能，可使芯片在非工作時段保持良好的休眠狀態(tài)，這也是目前公認性能最優(yōu)異的RF模塊低功耗芯片之一。

2 硬件電路設計

本文中節(jié)點的硬件結構圖如圖2所示。

圖3 硬件節(jié)點結構圖

2.1 CC430芯片外圍電路

硬件選擇主要考慮射頻模塊和微控制器模塊的選擇，我保證外圍電路具備較強的供電輸出能力，本文以TI公司生產的CC430F5137型片上系統(tǒng)(SOC)芯片作為CC430模塊的主要搭建裝置，該芯片只能供小型無線傳感網(wǎng)絡使用，具備小型化，智能化，集成化等多項特點[2-3]。

在充分考慮CC430模塊的各項組成設備后，參考已投入使用的設計思路，完成該模塊的電路設計操作。

2.2 天線匹配電路設計及天線選型

天線阻抗匹配電路天線阻抗需要匹配電路。阻抗匹配電路與CC430芯片的RF_N和RF_P連接。為保證射頻操作結果的良好適應能力，工程師會根據(jù)設備所處環(huán)境條件的不同，選擇最為適宜的傳輸天線。天線選擇過程中，應用成本、傳輸性能、流量大小是最重要的基本物理條件。芯片天線、陶瓷天線、鞭狀天線是三種常見的PCB天線種類，根據(jù)材料物理性質的不同，每種天線所面對的使用環(huán)境也不盡相同，其具體應用優(yōu)缺點及適應環(huán)境條件如表2所示。

表2 幾種常見天線對比

本設計方案從成本、尺寸和性能3個角度考慮，選擇尺寸適中，設計難度小且性能較好的陶瓷天線作為無線射頻模塊的天線使用，具體選型為AN1603—433型天線。

2.3 電源模塊設計

電源模塊由電池供電。電池采用TL-4935型電池，該電池輸出電壓為3.6 V，適用于各種儀器儀表。電源模塊采用了TPS62743超低靜態(tài)電流降壓轉換器。該器件具有典型值為360 nA的超低靜態(tài)電流。該器件提供了8個可編程的輸出電壓，可以在1.2 V到3.3 V之間調節(jié)輸出電壓。只需要一個小型輸出電容即可獲得低輸出電壓紋波和低噪聲。一旦輸入電壓接近輸出電壓，器件可進入100%無紋波模式，以防止輸出紋波電壓增大。電源模塊的設計滿足了整體節(jié)點的低功耗需求。節(jié)點的電源系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 電源模塊圖

2.4 ADS1210測溫模塊

ADS1210模塊主要包括熱電偶模擬前端、熱電偶冷節(jié)點溫度補償、熱電偶集成測量電路等。其系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 ADS1210溫度測量模塊框圖

其中，熱電偶模擬前端為模數(shù)轉換提供合適的偏置同時濾除共模和差模高頻噪聲，防止采樣混疊；熱電偶冷節(jié)點溫度補償，利用PT100溫度傳感器補償冷節(jié)點溫度變化引起的測量結果漂移；熱電偶集成測量電路提供了24位高分辨率A/D轉換，PT100精密激勵電流源，利用PT100溫度傳感器實現(xiàn)冷節(jié)點補償，并且進行了數(shù)字濾波。

3 系統(tǒng)軟件解決方案

3.1 SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議

根據(jù)硬件選擇，系統(tǒng)的軟件設計采用SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議。該協(xié)議具有如下特點：

通常情況下，SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議的物理規(guī)模相對較小，完成簡易的開發(fā)編譯后只占用8 K左右的內存空間，不僅具備應用成本低廉的實用有點，且可以節(jié)省在處理器設備中所消耗的資源總量，適用于中小型或小型的WSN應用開發(fā)環(huán)境。對于執(zhí)行功能相對豐富的網(wǎng)絡組織來說，SimpliciTI協(xié)議可實現(xiàn)點對點拓撲結構的定向連接，并在AP節(jié)點處清晰標注網(wǎng)絡主體的協(xié)調拓撲情況，使整個網(wǎng)絡傳輸信道呈現(xiàn)一種穩(wěn)定的星型連接狀態(tài)。作為網(wǎng)絡層與網(wǎng)絡應用層的唯一傳輸連接介質，SimpliciTI協(xié)議提供了最簡單的執(zhí)行管理功能，在選擇數(shù)據(jù)信道的同時，實現(xiàn)對已占用頻段的無線調制，使互聯(lián)網(wǎng)絡始終處于一種安全加密狀態(tài)。TI公司在發(fā)布SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議的同時，對所有射頻芯片和支持處理器都進行了移植處理，使得與協(xié)議相關的所有源代碼都處于透明化狀態(tài)，且受到外界云環(huán)境的影響，SimpliciTI協(xié)議從根本上實現(xiàn)了“零成本”占用，這也是新型網(wǎng)絡產品具備免費授權可能的主要原因[4]。

其中，Nwk freq.c文件直接提供頻率管理函數(shù)；Nwk_ioctl.c文件負責處理IO接口事件，并管理相關頻率函數(shù)；Nwk_jion.c文件可在占用網(wǎng)絡中直接加入函數(shù)；Nwk_link.c文件是生成網(wǎng)絡連接函數(shù)的唯一目的區(qū)域；Nwk_mgmt.c文件提供整個網(wǎng)絡運行所需的管理函數(shù)；Nwkes_ping.c文件負責Ping功能函數(shù)的定向傳輸；Nwk_security.c文件在主體網(wǎng)絡中對函數(shù)進行加密處理；nwk.c文件可以面向網(wǎng)絡層提供基本運行函數(shù)；Nwk_api.c文件是網(wǎng)絡應用層的核心繼承組織，可逐一傳輸其它設備運行產生的API函數(shù)；Nwk_frame.c文件則只能提供幀處理函數(shù)；Nwk_globals.c文件在傳輸網(wǎng)絡中管理所有數(shù)據(jù)型函數(shù)；Nwk_QMgmt.c文件負責生成所有用于輸入、輸出處理的隊列函數(shù)。

3.2 應用層程序設計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點也叫終端節(jié)點，以進行完整的數(shù)據(jù)采集操作作為實用目標，在滿足出發(fā)條件時，利用SimpliciTI協(xié)議將已經(jīng)采集到的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸至各級中心處理節(jié)點。在進行傳感器網(wǎng)絡信息接入之前，終端節(jié)點設備必須經(jīng)過底層協(xié)議棧、睡眠定時器、溫度傳感器等多項組成設備的初始化處理看，并在確定輸入具備反饋能力的前提下，將其傳輸至數(shù)據(jù)存儲中心。待一次完整的信息回饋運行后，終端節(jié)點才可以完整的加入網(wǎng)絡組織結構。在固定的間隔時間內，溫度傳感器所采集的溫度數(shù)據(jù)都必須在終端節(jié)點的促進下才可以進入中心節(jié)點，其具體傳輸流程如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點流程圖

在休眠模式中，為了降低系統(tǒng)功耗，最優(yōu)化的使用了LPM3模式，使CPU停止活動，ACLK保持活動，MCLK和DCO被禁止。在程序設計中，更多使用計算分支和快速查表來代替程序標志位和冗長軟件計算，減少了軟件設計難度，避免了頻繁的子程序調用。同時為了增加系統(tǒng)可靠性，設計了如圖7的節(jié)點中斷在入網(wǎng)流程[5]。

圖7 節(jié)點斷網(wǎng)后重新入網(wǎng)流程

傳感器節(jié)點斷網(wǎng)后再次入網(wǎng)時，根據(jù)無線網(wǎng)絡協(xié)議監(jiān)測網(wǎng)絡的狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡已經(jīng)建立，則在網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)的間隙時間段發(fā)送入網(wǎng)請求。負責管理傳感器節(jié)點的最后一級中繼器節(jié)點收到該請求后，在下一次正常傳輸過程中發(fā)送傳輸指令包，傳輸指令包格式為在正常傳輸數(shù)據(jù)的最后兩個字節(jié)添加時間碼和起始發(fā)送數(shù)據(jù)時間點。傳感器節(jié)點解算出時間碼和起始發(fā)送時間點后開始進入網(wǎng)絡正常工作。

為了保證數(shù)據(jù)完整可靠傳輸，采用了數(shù)據(jù)幀丟失監(jiān)測方案。所有數(shù)據(jù)幀的末尾都綴連一個TID數(shù)據(jù)域結構，用以檢測數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)了不可逆的丟失行為，且對于接收到的數(shù)據(jù)信息來說，僅提取其后綴的TID數(shù)據(jù)，并將其與上一幀進行對比，即可判定數(shù)據(jù)幀是否出現(xiàn)丟失行為。

表3 TID值與數(shù)據(jù)幀關系

上述系統(tǒng)TID數(shù)據(jù)的原始寬度為8位，與之相對應的TID最大值即為255。當發(fā)送端(接收端)完成一次正常的數(shù)據(jù)發(fā)送(接收)處理后，相關TID數(shù)據(jù)變回自行進行加1處理。而當TID數(shù)據(jù)等于最大值255時，下一次的TID數(shù)據(jù)變回自行回歸為0。若數(shù)據(jù)幀丟失行為出現(xiàn)在最大TID數(shù)據(jù)附近時，首先需要確定具體的幀數(shù)丟失數(shù)量，再將上述數(shù)值結果與數(shù)據(jù)0相加，得出最終的TID數(shù)據(jù)結果，但在此情況下，系統(tǒng)會判定TID數(shù)據(jù)出現(xiàn)重傳行為，與之相關的一切操作都為誤判斷結果，而TID窗口的出現(xiàn)有效避免了這種過于片面的判斷操作。若預先設定TID_WINDOW=5，當數(shù)據(jù)出現(xiàn)幀丟失行為時，若本次丟失的幀數(shù)在最大誤差范圍5內，則判定此次行為僅為一般性數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；若本次丟失的幀數(shù)超過最大誤差范圍5時，則判定此次行為屬于數(shù)據(jù)幀重傳[4]。

4 實驗結果

4.1 測溫實驗

本次溫度數(shù)據(jù)采集實驗測試的目的是檢測溫度無線傳感網(wǎng)絡能否正常測溫。系統(tǒng)中包含1個數(shù)據(jù)中心節(jié)點、5個溫度傳感節(jié)點，PC機作為串口調試助手軟件，可借助直接串口設備與數(shù)據(jù)中心節(jié)點直接相連。實驗結果匯總如圖8所示。

圖8 五個節(jié)點的溫度曲線圖

4.2 可靠性試驗

上述實驗過程中，節(jié)點1、節(jié)點2不參與SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議的運行過程，操作地點為相距10 m左右的空曠區(qū)域，節(jié)點1在接收到有效數(shù)據(jù)后，直接將其記錄在射頻模塊的FIFO發(fā)送數(shù)據(jù)中，并在射頻模塊啟動后自主進入發(fā)送狀態(tài)[5-6]。節(jié)點2在接收到有效數(shù)據(jù)后，首先向FIFO數(shù)據(jù)發(fā)出讀取指令，再借助串口設備將其發(fā)送至主機的PC端。在主機端收接受數(shù)據(jù)并判斷接收數(shù)據(jù)是否正確。整個過程中節(jié)點1每隔1 ms(間隔時間可調)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)“1234”10 000次。

對于節(jié)點1來說，經(jīng)過100 000次的數(shù)據(jù)發(fā)送后，就可以通過統(tǒng)計已接受到數(shù)據(jù)的數(shù)量級情況來判斷數(shù)據(jù)的計算誤碼率。在上述實驗測試過程中，節(jié)點2接收到23個錯誤的數(shù)據(jù)字節(jié)，故與之相關的誤碼率結果為(23/10000) 100% = 0.23%。

4.3 功耗實驗

為了有效控制節(jié)點的電流消耗情況，將所有無線節(jié)點電阻外部都串聯(lián)一個外接電源，并通過阻值調整的方式，使節(jié)點消耗電流始終小于小電阻電流[7-9]。小電阻電流屬于電阻自身的物理性質，可以通過小電阻電壓與電阻值作比的方式獲得。實際測量中，小電阻電壓值始終在0～0.684 V之間浮動，所以節(jié)點兩端電壓只在3.8～4.5 V之間保持浮動。除上述標注值以外的節(jié)點電壓數(shù)值，不會對節(jié)點的正常工作行為造成影響。將數(shù)據(jù)采集卡NI PCI—6220與小電阻相連，直接測量小電阻兩端的電壓變化情況。

實驗過程中，先控制無線節(jié)點使其保持休眠狀態(tài)，在固定時間節(jié)點t0后，開始數(shù)據(jù)包發(fā)送行為，并為時間節(jié)點t1作為結束，完成上述操作后再控制無線節(jié)點進入休眠狀態(tài)。分析數(shù)據(jù)采集卡中的信息可知，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點將大部分能量消耗在無線數(shù)據(jù)收發(fā)過程中。數(shù)據(jù)采集卡采集波形與數(shù)據(jù)發(fā)送過程經(jīng)matlab處理結果如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)次波形與MATLAB處理波形

為數(shù)據(jù)采集卡中所顯示數(shù)據(jù)為15歐姆電阻兩端的電壓值，計為VR，則流經(jīng)該節(jié)點的電流值為I=VR/15。受到穩(wěn)壓芯片的影響，節(jié)點電壓VMODE應等于3.3 V，節(jié)點的瞬時功率P=VMODE×I,總功耗為：

(1)

帶入具體數(shù)據(jù)為:

(2)

本次采樣過程中的采樣頻率始終保持為1 000 samples/s，所以轉換為離散公式后應有：

(3)

其中:Δt=0.001 ms。

分析圖9可知，本次數(shù)據(jù)采集操作射頻模塊的開啟時間為369 ms、結束時間為994 ms，即t1=369、t2=974，整個過程經(jīng)歷了625 ms。根據(jù)matlab積分計算結果可知，從t0到t1時間段內消耗的總功耗為110.2 mW。

由電池容量和單次發(fā)射功耗計算，電池可滿足316 800次數(shù)據(jù)傳輸，滿足在1年—2年時間內進行實時性監(jiān)測的使用要求。

5 結論

本文以箭載應用的迫切需求為背景，結合無線傳感器的技術特點，針對性的提出了用于監(jiān)測箭載環(huán)境參數(shù)的無線傳感網(wǎng)絡的設計方案。硬件運行環(huán)境搭建采用低功耗的CC430芯片，并使其作為整個控制操作環(huán)節(jié)的唯一執(zhí)行組件，在電源模塊采用了TPS62743型低功耗芯片，和AN1603—433型天線選型完成測溫節(jié)點的設計工作；在軟件方面優(yōu)化代碼，減小運算量，延長節(jié)點休眠時間來進一步降低節(jié)點功耗并針對箭載環(huán)境監(jiān)測的可靠性需求設計了節(jié)點斷網(wǎng)重新入網(wǎng)流程。并且節(jié)點體積小，質量輕，工作于433 MHz使信號具有良好的強度。最終的三項實驗證明了系統(tǒng)的設計有效可行，具有較強的可實現(xiàn)性和火箭應用價值。