一種用於太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統的製作方法
2023-07-14 00:13:16 1
專利名稱：一種用於太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及航空電子網絡領域，更具體地涉及一種用於太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統。
背景技術：
目前太空飛行器內環境參數的監測普遍採用時分制數據採集方式，系統由多個遠置採編單元和一個中心程序單元組成，遠置採編單元根據需要分布在太空飛行器的各艙段、各設備， 負責參數的遠端就近本地採集，並把採集後的編碼數據通過串口傳輸到中心單元，中心單元上配置有若干的遠置採編單元接口和數字量接口，它控制遠置採編單元的數據採集、傳輸以及所有遙測數據的綜合。由於需要測量的參數多、分布廣，配置的遠置採編單元和數字量接口也多，隨之帶來中心單元上的採編單元接口和數字量接口數量較多的問題，每個接口上連接的電纜有十幾根，信號接入及轉接錯綜複雜，電纜和連接器多不僅造成了質量、體積、功耗方面的負擔， 而且造成了布局布線的複雜，對於後期的測試、維修更是增加了難度。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種用於太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，包括本地網絡，即數據採集和傳輸網絡，採用無線組網技術來採集並傳輸太空飛行器內的環境參數；網關，用於橋接本地網絡和星載數據網絡/總線，以實現二者之間的數據交換； 星載數據網絡/總線，用於實現該總線上的終端之間及終端與星載計算機之間的通信；和星載計算機，用於處理本地網絡採集的傳感器數據並根據結果發出適當的指令。本發明的用於太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統設計擴展了星載數據總線的功能，有利於簡化太空飛行器內用於環境監測的布局布線，從而減輕太空飛行器的總體質量。無線傳感器網絡在太空飛行器內部典型的應用場景是太空飛行器內環境和儀器設備健康參數的監測，包括溫度、溼度、壓強、輻射度等。本發明的一個優選實施例中，本地網絡採用目前廣泛應用於工業監測的ZigBee Pro網絡技術，星載數據總線採用目前我國衛星上常用的1553B總線，兩個網絡之間的數據交換通過網關實現；網關由155 總線接口單元、微處理器8051和串口接口單元組成，微處理器通過串口與ZigBee Pro網絡的匯聚節點通信，來控制兩個網絡之間的數據交換；星載計算機採用插有155 板卡的計算機模擬。本地網絡採用ZigBee Pro網絡，假設監測太空飛行器的四個艙，每個艙內至少有三個終端設備，一個路由器；本地網絡採用ZigBee Pro網絡的網狀網拓撲，多對一路由選擇/源路由的路由方式；本地網絡中只有一個協調器，即網絡的匯聚節點。ZigBee Pro網絡功能的實現硬體採用TI公司的CC2530晶片，CC2530支持ZigBee和ZigBee Pro兩個特性集； 軟體採用TI公司的Z-Mack協議棧Mtack-CC2530-2. 2. 0-1. 3. 0。節點是本地網絡的基本組成單元，本地網絡的功能是通過一個個節點相互協作實現的。節點根據功能分為協調器、 路由器、終端設備三種設備，它們採用相同的硬體，設備功能的區分通過軟體設置實現。節點設計分為硬體設計和軟體設計；硬體設計主要是晶片的選擇和電路的設計，軟體設計主要是ZigBee協議的選擇、網絡拓撲的設計和低功耗設計。星載數據總線155 總線是串行多路數據總線標準，採用指令/響應型通信協議。 1553B總線能掛31個遠置終端，可以設置其中的一個終端來監測環境，與本地網絡連接，在本地網絡中可以設置若干個傳感器節點來採集信息，最終將數據傳送給匯聚節點，匯聚節點將整個傳感器網絡的數據傳送給網關。因此，用於監測太空飛行器內的環境參數的本地網絡只需要佔用一個巧53B終端設備，不僅節約了緊張的155 埠，而且大大增強了 155 總線的可擴展性。網關是連接本地網絡和155 總線的橋梁，作為155 總線的一個終端設備，網關由155 總線接口單元、微處理器8051和串口接口單元組成，微處理器通過串口與ZigBee Pro網絡的匯聚節點通信，來控制兩個網絡之間的數據交換。155 總線通信協議處理器為BU-61585S3，微處理器為Atmel89S52，微處理器管理網關的155 通信，並通過串口與 ZigBee Pro網絡的協調器通信，串口晶片為MAX3232，波特率為38400bps。網關的設計分為硬體設計和軟體設計。軟體設計主要是微處理器的程序設計。星載計算機採用插有155 板卡的計算機模擬。用於演示驗證的計算機使用的 155!3B板卡為BU-6557011-300板卡，BU-6557011-300板卡通過應用軟體設置，在155!3B數據總線上可以同時模擬1個BC，多達31個RT和1個MT的數據通信。另外還可與其他板卡或 1553B終端連接，用作總線監視器。測試仿真軟體為DDC公司的BU-69065 Test/Simulator Menu。與現有技術相比，本發明具有如下優點(1)無線網絡技術應用於太空飛行器內可以省去大量線纜、連接器和接口，減輕了太空飛行器質量，簡化了布局布線的難度；(2)大大增加了系統的可擴展性，無線網絡組網靈活，可以根據需要增加網絡節點個數，無需考慮接口、布局布線的問題；(3)擴展了星載數據總線的功能；(4)系統結構簡單、層次清晰，便於後期的測試和維修。
圖1為本發明的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡設計方案；圖2為本發明的設計實例基於ZigBee Pro技術的星載無線傳感器網絡；圖3為本發明的本地網絡中節點的硬體組成框圖；圖4(a)為本發明的本地網絡中協調器軟體初始化後的事務流程圖；圖4(b)為本發明的本地網絡中終端設備軟體初始化後的事務流程圖；圖5為本發明的網關的硬體框圖；圖6(a)為本發明的網關微處理器的主程序流程圖；圖6(b)為本發明的網關微處理器的外部中斷程序流程圖；圖6(c)為本發明的網關微處理器的串口中斷程序流程圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。本發明的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，如圖1所示，系統包括數據採集和傳輸網絡(亦稱本地網絡)1、網關(亦稱橋接器)2、星載數據網絡\總線3和星載計算機4四部分。本地網絡1採用無線組網技術，可以使用ZigBee、ZigBee ftx)、藍牙、RFID、 UffB等組網技術，用於採集和傳輸節點採集到的環境參數到本地網絡的匯聚節點；星載數據總線3可以使用1553B、CAN、SpaceWire、1394等總線，用於總線上的遠置終端之間、以及遠置終端和星載計算機之間通信；兩個網絡之間的數據交換通過網關2實現，網關2由星載數據總線接口單元、微處理器和本地網絡數據接口單元組成，微處理器通過控制兩個接口單元之間的數據交換，來控制兩個網絡之間的數據交換。星載計算機4判斷傳送上來的環境參數是否在正常範圍，不正常的話發出指令給相關設備進行調整。根據圖1顯示的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，本發明的一個優選實施例在圖2中示出，其中本地網絡採用目前廣泛應用於工業監測的ZigBee Pro網絡技術， 星載數據總線採用目前我國衛星上常用的155 總線，兩個網絡之間的數據交換通過網關實現；網關由155 總線接口單元、微處理器8051和串口接口單元組成，微處理器通過串口與ZigBee Pro網絡的匯聚節點通信，來控制兩個網絡之間的數據交換；星載計算機採用插有155 板卡的計算機模擬。具體來說，如圖2中所示的，本地網絡監測太空飛行器的四個艙，每個艙內至少有三個終端設備和一個路由器；網絡中只有一個協調器，即網絡的匯聚節點。本地網絡採用ZigBee Pro網絡的網狀網拓撲。節點是本地網絡的基本組成單元，本地網絡的功能是通過一個個節點相互協作實現的。節點根據功能分為協調器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器S^ZigBee Router)、終端設備ZT(ZigBee Terminator)三種設備，它們可以採用相同的硬體，設備功能的區分通過軟體設置實現。節點設計分為硬體設計和軟體設計。本地網絡中三種設備的通用硬體框圖如圖3所示，包括電源模塊、ZigBee協議晶片、傳感器採集模塊、串口接口模塊和外圍電路。ZigBee協議晶片採用TI公司的CC2530， CC2530是TI公司的ZigBee單晶片解決方案S0C，其內部集成了 RF收發器、高速低功耗 8051內核、8KB的SRAM、高達256KB的Flash存儲器，以及外設資源，如DMA、定時/計數器、 AES128協處理器、8-14位ADC、USART、睡眠模式定時器等。CC2530單晶片解決方案減少了射頻外圍電路的功耗，實現簡單，且成本低，功耗低，佔的面積小。為了儘量減少功耗，節點採用的傳感器應儘量使用低功耗的晶片。協調器通過串口與網關連接，故採用串口晶片為 MAX3232 ；外圍電路包括復位電路、JTAG、開關、指示燈等。天線採用商用的外置Whip天線， 全方向性並且性能最好。ZigBee Pro無線網絡功能的實現，是建立在ZigBee協議棧的基礎上的。協議棧採用分層的結構，協議分層的目的是為了使各層相對獨立，每一層都提供一些服務，服務由協議定義，程式設計師只需關心與他的工作直接相關的那些層的協議，它們向高層提供服務，並由低層提供服務。TI公司提供的ZigBee協議棧Zltack(包含ZigBee與ZigBee PRO兩個特性集)，達到ZigBee測試機構德國萊茵集團評定的ZigBee聯盟參考平臺(golden unit) 水平，目前已為全球眾多ZigBee開發商所廣泛採用。本地網絡節點的軟體採用TI公司的Z-Stack協議棧 ZStack-CC2530-2. 2. 0-1. 3. 0，協調器、路由器、終端設備的區分通過軟體設置實現。協調器和終端設備系統初始化後執行任務的流程圖，如圖4所示。圖4(a)所示的是協調器軟體初始化後的事務流程圖首先協調器上電，系統初始化結束後，自動建立一個ZigBee Pro網絡，允許其他設備加入並允許綁定，然後等待新事件的到來；這時如果收到路由器或終端設備的加入網絡請求，允許他們加入並允許綁定。圖4(b)所示的是終端設備軟體初始化後的事務流程圖終端設備上電初始化後，掃描信道，若發現網絡，加入網絡並綁定；終端設備成功加入網絡並與之綁定後，就會觸發發送傳感器信息的事件；然後進入作業系統，並將控制權交給作業系統，由作業系統管理調度各項任務。終端設備每隔10秒向作業系統發送報告溫度、溼度事件標誌，採集一次溫度、溼度值並向協調器發送；每隔10秒向作業系統發送報告輻射度和壓強事件標誌，採集一次告輻射度和壓強值並向協調器發送。網關是連接本地網絡和星載數據總線的橋梁，其硬體框圖如圖5所示，由155 總線接口單元、微處理器和串口接口單元組成。網關作為155 總線的一個遠置終端，ZigBee Pro網絡是網關連接的155 子系統。微處理器通過串口與ZigBee Pro網絡的匯聚節點通信，通過155 總線協處理器與155 總線上的設備通信，從而控制兩個網絡之間的數據交換。155 總線接口電路選用DDC公司的155 總線協處理器BU-61585和變壓器B-3067 ； 微處理器採用Ateml公司的8位微處理器89S52 ；與ZigBee網絡通信採用串口，使用MAX公司的MAX3232晶片。BTO1585工作在8位緩衝0等待的工作方式。星載計算機採用插有155 板卡的計算機模擬。用於演示驗證的計算機使用 1553B板卡為BU-6557011-300板卡，測試仿真軟體為DDC公司的BU_69065Test/Simulator Menu。在本系統中，BU-65570I1-300板卡通過軟體設置，在155 數據總線上同時模擬1 個總線控制器(BC)、1個總線監視器(MT)；網關作為1553B總線上的遠置終端3。為了實現自動測試方式和測試的有效性，在雙方通信過程中，BU-6557011-300板卡模擬的總線控制器BC處於主動狀態，網關處於被動狀態。155 測試的數據和運行狀態可以使用Test/ Simulator Menu軟體進行預設定，對總線通信的過程和結果進行實時的分析統計和存儲顯示，並且可以存檔和列印。網關作為1553B總線的遠置終端3，根據子地址控制字的選項，網關存儲器管理 發送子地址採用循環緩衝器模式，接收子地址採用單消息模式。網關採用中斷方式處理 1553B消息和串口消息，分別是外部中斷0和串口中斷。圖6是網關的微處理器89S52的程序流程圖。網關微處理器的主程序流程圖如圖6 (a)所示。網關微處理器89S52主程序設計 首先是單片機初始化，主要是中斷設置和串口初始化，中斷初始化包括外部中斷0和串口中斷，串口設置為8位數據位，一位停止位，無校驗，波特率為38400bps ；然後對BU-61585 進行軟體復位，通過配置相應寄存器和初始化內部共享RAM，BU-61585進入RT模式，此後主要是填充和讀取接口晶片RAM空間。在while(l)循環中，首先檢查155 接收標誌位是否為0，不為0時，說明接收到BC發送過來的數據包，需要對接收到的數據進行處理將155 接收標誌位清零，讀取接收到的數據並根據接收的數據的定義進行操作，如通過串口將接收到的數據發送到本地網絡的協調器。然後檢查串口接收標誌位是否為0，不為0時，說明接收到本地網絡發送過來的數據，對接收的數據進行處理將串口接收標誌位清零，讀取接收到的數據並保存到BU-61585相應的數據緩衝區。網關微處理器的外部中斷程序流程圖如圖6(b)所示。89S52的外部中斷0接BU-61585的中斷輸出，中斷優先級為1。當有外部中斷時，讀BU-61585的中斷狀態寄存器， 判斷是否為幹擾信號；若非幹擾信號，讀取塊狀態字，判斷是否為非法指令或者子地址忙； 若指令合法，讀命令字，判斷收發；若為接收，從接收緩衝區讀取數據至微處理器，然後置 1553B接收標誌位；若為發送，則將要發送的數據緩衝區地址寫入相應的發送子地址查詢表。最後中斷返回。網關微處理器的串口中斷程序流程圖如圖6(c)所示。為了保護本地網絡的數據的完整性和連續性，設置89S52的串口中斷的優先級為0。當串口中斷到來時，首先判斷發送還是接收中斷；若為發送中斷，清中斷標誌位；若為接收中斷，則讀取SBUF寄存器數據至微處理器，置串口接收標誌位，清中斷標誌。以上僅以優選實施例的方式對本發明進行了說明，但本發明不限於此，根據本發明的精神的任何變型和替換都應包含在後附的權利要求限定的範圍之內。
權利要求
1.一種用於太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，包括本地網絡，即數據採集和傳輸網絡，採用無線組網技術來採集並傳輸採集到的環境參數；網關，用於橋接本地網絡和星載數據網絡/總線，以實現二者之間的數據交換；星載數據網絡/總線，用於實現該總線上的終端之間及終端與星載計算機之間的通信；和星載計算機，用於判斷本地網絡採集的環境數據是否處於正常範圍，並在判斷為不正常時發出適當的指令到相關設備。
2.根據權利要求1所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於，所述本地網絡採用的無線組網技術是ZigBee、ZigBee ft~o、藍牙、RFID、UffB技術之一。
3.根據權利要求2所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於，所述本地網絡的節點根據功能分為協調器、路由器和終端設備。
4.根據權利要求3所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於，所述的協調器、路由器和終端設備的硬體包括電源模塊、ZigBee協議晶片、傳感器採集模塊、 串口接口模塊和外圍電路。
5.根據權利要求1所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於，所述星載數據網絡/總線使用1553B、CAN、SpaceWire、1394總線之一。
6.根據權利要求5所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於，所述星載數據網絡/總線為M53B時，所述本地網絡只與所述星載數據網絡/總線的一個遠置終端連接。
7.根據權利要求1所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於，所述網關由星載數據網絡/總線接口單元、微處理器和本地網絡接口單元組成，該微處理器通過控制所述兩個接口單元之間的數據交換來實現所述兩個網絡間的數據交換。
8.根據權利要求1所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於所述本地網絡採用Zigbee Pro網絡技術，所述星載數據網絡/總線採用155 總線，所述網關由155 總線接口單元、微處理器和串口接口單元組成。
9.根據權利要求8所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於所述本地網絡測量太空飛行器內各艙至少有三個終端設備和一個路由器，用於測量艙內的溫度、 溼度、壓強、輻射度。
10.根據權利要求8所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於所述本地網絡採用ZigBee Pro網絡的網狀網拓撲，多對一路由選擇/源路由的路由方式。
11.根據權利要求8所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於所述本地網絡僅包括一個協調器。
12.根據權利要求8所述的太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，其特徵在於所述星載計算機採用插有155 板卡的計算機模擬。
全文摘要
本發明涉及一種用於太空飛行器內環境監測的無線傳感器網絡系統，包括本地網絡，即數據採集和傳輸網絡，採用無線組網技術來採集並傳輸太空飛行器內的環境參數；網關，用於橋接本地網絡和星載數據網絡/總線，以實現二者之間的數據交換；星載數據網絡/總線，實現該總線上的終端之間及終端與星載計算機之間的通信；和星載計算機，用於處理本地網絡採集的傳感器數據並根據結果發出適當的指令。
文檔編號H04W84/18GK102523632SQ201110441220
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者周莉, 安軍社, 曹松 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心