CN102523632A - 一种用于航天器内环境监测的无线传感器网络系统 - Google Patents

一种用于航天器内环境监测的无线传感器网络系统 Download PDF

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周莉
曹松
安军社
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本发明涉及一种用于航天器内环境监测的无线传感器网络系统，包括：本地网络，即数据采集和传输网络，采用无线组网技术来采集并传输航天器内的环境参数；网关，用于桥接本地网络和星载数据网络/总线，以实现二者之间的数据交换；星载数据网络/总线，实现该总线上的终端之间及终端与星载计算机之间的通信；和星载计算机，用于处理本地网络采集的传感器数据并根据结果发出适当的指令。

Description

一种用于航天器内环境监测的无线传感器网络系统
技术领域
本发明涉及航空电子网络领域，更具体地涉及一种用于航天器内环境监测的无线传感器网络系统。
背景技术
目前航天器内环境参数的监测普遍采用时分制数据采集方式，系统由多个远置采编单元和一个中心程序单元组成，远置采编单元根据需要分布在航天器的各舱段、各设备，负责参数的远端就近本地采集，并把采集后的编码数据通过串口传输到中心单元，中心单元上配置有若干的远置采编单元接口和数字量接口，它控制远置采编单元的数据采集、传输以及所有遥测数据的综合。
由于需要测量的参数多、分布广，配置的远置采编单元和数字量接口也多，随之带来中心单元上的采编单元接口和数字量接口数量较多的问题，每个接口上连接的电缆有十几根，信号接入及转接错综复杂，电缆和连接器多不仅造成了质量、体积、功耗方面的负担，而且造成了布局布线的复杂，对于后期的测试、维修更是增加了难度。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于航天器内环境监测的无线传感器网络系统，包括：本地网络，即数据采集和传输网络，采用无线组网技术来采集并传输航天器内的环境参数；网关，用于桥接本地网络和星载数据网络/总线，以实现二者之间的数据交换；星载数据网络/总线，用于实现该总线上的终端之间及终端与星载计算机之间的通信；和星载计算机，用于处理本地网络采集的传感器数据并根据结果发出适当的指令。
本发明的用于航天器内环境监测的无线传感器网络系统设计扩展了星载数据总线的功能，有利于简化航天器内用于环境监测的布局布线，从而减轻航天器的总体质量。
无线传感器网络在航天器内部典型的应用场景是航天器内环境和仪器设备健康参数的监测，包括温度、湿度、压强、辐射度等。本发明的一个优选实施例中，本地网络采用目前广泛应用于工业监测的ZigBee Pro网络技术，星载数据总线采用目前我国卫星上常用的1553B总线，两个网络之间的数据交换通过网关实现；网关由1553B总线接口单元、微处理器8051和串口接口单元组成，微处理器通过串口与ZigBee Pro网络的汇聚节点通信，来控制两个网络之间的数据交换；星载计算机采用插有1553B板卡的计算机模拟。
本地网络采用ZigBee Pro网络，假设监测航天器的四个舱，每个舱内至少有三个终端设备，一个路由器；本地网络采用ZigBee Pro网络的网状网拓扑，多对一路由选择/源路由的路由方式；本地网络中只有一个协调器，即网络的汇聚节点。ZigBeePro网络功能的实现硬件采用TI公司的CC2530芯片，CC2530支持ZigBee和ZigBeePro两个特性集；软件采用TI公司的Z-Stack协议栈ZStack-CC2530-2.2.0-1.3.0。节点是本地网络的基本组成单元，本地网络的功能是通过一个个节点相互协作实现的。节点根据功能分为协调器、路由器、终端设备三种设备，它们采用相同的硬件，设备功能的区分通过软件设置实现。节点设计分为硬件设计和软件设计；硬件设计主要是芯片的选择和电路的设计，软件设计主要是ZigBee协议的选择、网络拓扑的设计和低功耗设计。
星载数据总线1553B总线是串行多路数据总线标准，采用指令/响应型通信协议。1553B总线能挂31个远置终端，可以设置其中的一个终端来监测环境，与本地网络连接，在本地网络中可以设置若干个传感器节点来采集信息，最终将数据传送给汇聚节点，汇聚节点将整个传感器网络的数据传送给网关。因此，用于监测航天器内的环境参数的本地网络只需要占用一个1553B终端设备，不仅节约了紧张的1553B端口，而且大大增强了1553B总线的可扩展性。
网关是连接本地网络和1553B总线的桥梁，作为1553B总线的一个终端设备，网关由1553B总线接口单元、微处理器8051和串口接口单元组成，微处理器通过串口与ZigBee Pro网络的汇聚节点通信，来控制两个网络之间的数据交换。1553B总线通信协议处理器为BU-61585S3，微处理器为Atmel89S52，微处理器管理网关的1553B通信，并通过串口与ZigBee Pro网络的协调器通信，串口芯片为MAX3232，波特率为38400bps。网关的设计分为硬件设计和软件设计。软件设计主要是微处理器的程序设计。
星载计算机采用插有1553B板卡的计算机模拟。用于演示验证的计算机使用的1553B板卡为BU-65570I1-300板卡，BU-65570I1-300板卡通过应用软件设置，在1553B数据总线上可以同时模拟1个BC，多达31个RT和1个MT的数据通信。另外还可与其他板卡或1553B终端连接，用作总线监视器。测试仿真软件为DDC公司的BU-69065 Test/Simulator Menu。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)无线网络技术应用于航天器内可以省去大量线缆、连接器和接口，减轻了航天器质量，简化了布局布线的难度；
(2)大大增加了系统的可扩展性，无线网络组网灵活，可以根据需要增加网络节点个数，无需考虑接口、布局布线的问题；
(3)扩展了星载数据总线的功能；
(4)系统结构简单、层次清晰，便于后期的测试和维修。
附图说明
图1为本发明的航天器内环境监测的无线传感器网络设计方案；
图2为本发明的设计实例：基于ZigBee Pro技术的星载无线传感器网络；
图3为本发明的本地网络中节点的硬件组成框图；
图4(a)为本发明的本地网络中协调器软件初始化后的事务流程图；
图4(b)为本发明的本地网络中终端设备软件初始化后的事务流程图；
图5为本发明的网关的硬件框图；
图6(a)为本发明的网关微处理器的主程序流程图；
图6(b)为本发明的网关微处理器的外部中断程序流程图；
图6(c)为本发明的网关微处理器的串口中断程序流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，如图1所示，系统包括数据采集和传输网络(亦称本地网络)1、网关(亦称桥接器)2、星载数据网络\总线3和星载计算机4四部分。本地网络1采用无线组网技术，可以使用ZigBee、ZigBeePro、蓝牙、RFID、UWB等组网技术，用于采集和传输节点采集到的环境参数到本地网络的汇聚节点；星载数据总线3可以使用1553B、CAN、SpaceWire、1394等总线，用于总线上的远置终端之间、以及远置终端和星载计算机之间通信；两个网络之间的数据交换通过网关2实现，网关2由星载数据总线接口单元、微处理器和本地网络数据接口单元组成，微处理器通过控制两个接口单元之间的数据交换，来控制两个网络之间的数据交换。星载计算机4判断传送上来的环境参数是否在正常范围，不正常的话发出指令给相关设备进行调整。
根据图1显示的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，本发明的一个优选实施例在图2中示出，其中本地网络采用目前广泛应用于工业监测的ZigBee Pro网络技术，星载数据总线采用目前我国卫星上常用的1553B总线，两个网络之间的数据交换通过网关实现；网关由1553B总线接口单元、微处理器8051和串口接口单元组成，微处理器通过串口与ZigBee Pro网络的汇聚节点通信，来控制两个网络之间的数据交换；星载计算机采用插有1553B板卡的计算机模拟。
具体来说，如图2中所示的，本地网络监测航天器的四个舱，每个舱内至少有三个终端设备和一个路由器；网络中只有一个协调器，即网络的汇聚节点。本地网络采用ZigBee Pro网络的网状网拓扑。节点是本地网络的基本组成单元，本地网络的功能是通过一个个节点相互协作实现的。节点根据功能分为协调器ZC(ZigBeeCoordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)、终端设备ZT(ZigBee Terminator)三种设备，它们可以采用相同的硬件，设备功能的区分通过软件设置实现。节点设计分为硬件设计和软件设计。
本地网络中三种设备的通用硬件框图如图3所示，包括电源模块、ZigBee协议芯片、传感器采集模块、串口接口模块和外围电路。ZigBee协议芯片采用TI公司的CC2530，CC2530是TI公司的ZigBee单芯片解决方案SOC，其内部集成了RF收发器、高速低功耗8051内核、8KB的SRAM、高达256KB的Flash存储器，以及外设资源，如DMA、定时/计数器、AES128协处理器、8-14位ADC、USART、睡眠模式定时器等。CC2530单芯片解决方案减少了射频外围电路的功耗，实现简单，且成本低，功耗低，占的面积小。为了尽量减少功耗，节点采用的传感器应尽量使用低功耗的芯片。协调器通过串口与网关连接，故采用串口芯片为MAX3232；外围电路包括复位电路、JTAG、开关、指示灯等。天线采用商用的外置Whip天线，全方向性并且性能最好。
ZigBee Pro无线网络功能的实现，是建立在ZigBee协议栈的基础上的。协议栈采用分层的结构，协议分层的目的是为了使各层相对独立，每一层都提供一些服务，服务由协议定义，程序员只需关心与他的工作直接相关的那些层的协议，它们向高层提供服务，并由低层提供服务。TI公司提供的ZigBee协议栈Z-Stack(包含ZigBee与ZigBee PRO两个特性集)，达到ZigBee测试机构德国莱茵集团评定的ZigBee联盟参考平台(golden unit)水平，目前已为全球众多ZigBee开发商所广泛采用。
本地网络节点的软件采用TI公司的Z-Stack协议栈ZStack-CC2530-2.2.0-1.3.0，协调器、路由器、终端设备的区分通过软件设置实现。协调器和终端设备系统初始化后执行任务的流程图，如图4所示。图4(a)所示的是协调器软件初始化后的事务流程图：首先协调器上电，系统初始化结束后，自动建立一个ZigBee Pro网络，允许其他设备加入并允许绑定，然后等待新事件的到来；这时如果收到路由器或终端设备的加入网络请求，允许他们加入并允许绑定。图4(b)所示的是终端设备软件初始化后的事务流程图：终端设备上电初始化后，扫描信道，若发现网络，加入网络并绑定；终端设备成功加入网络并与之绑定后，就会触发发送传感器信息的事件；然后进入操作系统，并将控制权交给操作系统，由操作系统管理调度各项任务。终端设备每隔10秒向操作系统发送报告温度、湿度事件标志，采集一次温度、湿度值并向协调器发送；每隔10秒向操作系统发送报告辐射度和压强事件标志，采集一次告辐射度和压强值并向协调器发送。
网关是连接本地网络和星载数据总线的桥梁，其硬件框图如图5所示，由1553B总线接口单元、微处理器和串口接口单元组成。网关作为1553B总线的一个远置终端，ZigBee Pro网络是网关连接的1553B子系统。微处理器通过串口与ZigBee Pro网络的汇聚节点通信，通过1553B总线协处理器与1553B总线上的设备通信，从而控制两个网络之间的数据交换。1553B总线接口电路选用DDC公司的1553B总线协处理器BU-61585和变压器B-3067；微处理器采用Ateml公司的8位微处理器89S52；与ZigBee网络通信采用串口，使用MAX公司的MAX3232芯片。BU61585工作在8位缓冲0等待的工作方式。
星载计算机采用插有1553B板卡的计算机模拟。用于演示验证的计算机使用1553B板卡为BU-65570I1-300板卡，测试仿真软件为DDC公司的BU-69065Test/Simulator Menu。在本系统中，BU-65570I1-300板卡通过软件设置，在1553B数据总线上同时模拟1个总线控制器(BC)、1个总线监视器(MT)；网关作为1553B总线上的远置终端3。为了实现自动测试方式和测试的有效性，在双方通信过程中，BU-65570I1-300板卡模拟的总线控制器BC处于主动状态，网关处于被动状态。1553B测试的数据和运行状态可以使用Test/Simulator Menu软件进行预设定，对总线通信的过程和结果进行实时的分析统计和存储显示，并且可以存盘和打印。
网关作为1553B总线的远置终端3，根据子地址控制字的选项，网关存储器管理：发送子地址采用循环缓冲器模式，接收子地址采用单消息模式。网关采用中断方式处理1553B消息和串口消息，分别是外部中断0和串口中断。图6是网关的微处理器89S52的程序流程图。
网关微处理器的主程序流程图如图6(a)所示。网关微处理器89S52主程序设计：首先是单片机初始化，主要是中断设置和串口初始化，中断初始化包括外部中断0和串口中断，串口设置为8位数据位，一位停止位，无校验，波特率为38400bps；然后对BU-61585进行软件复位，通过配置相应寄存器和初始化内部共享RAM，BU-61585进入RT模式，此后主要是填充和读取接口芯片RAM空间。在while(1)循环中，首先检查1553B接收标志位是否为0，不为0时，说明接收到BC发送过来的数据包，需要对接收到的数据进行处理：将1553B接收标志位清零，读取接收到的数据并根据接收的数据的定义进行操作，如通过串口将接收到的数据发送到本地网络的协调器。然后检查串口接收标志位是否为0，不为0时，说明接收到本地网络发送过来的数据，对接收的数据进行处理：将串口接收标志位清零，读取接收到的数据并保存到BU-61585相应的数据缓冲区。
网关微处理器的外部中断程序流程图如图6(b)所示。89S52的外部中断0接BU-61585的中断输出，中断优先级为1。当有外部中断时，读BU-61585的中断状态寄存器，判断是否为干扰信号；若非干扰信号，读取块状态字，判断是否为非法指令或者子地址忙；若指令合法，读命令字，判断收发；若为接收，从接收缓冲区读取数据至微处理器，然后置1553B接收标志位；若为发送，则将要发送的数据缓冲区地址写入相应的发送子地址查询表。最后中断返回。
网关微处理器的串口中断程序流程图如图6(c)所示。为了保护本地网络的数据的完整性和连续性，设置89S52的串口中断的优先级为0。当串口中断到来时，首先判断发送还是接收中断；若为发送中断，清中断标志位；若为接收中断，则读取SBUF寄存器数据至微处理器，置串口接收标志位，清中断标志。
以上仅以优选实施例的方式对本发明进行了说明，但本发明不限于此，根据本发明的精神的任何变型和替换都应包含在后附的权利要求限定的范围之内。

Claims (12)

1.一种用于航天器内环境监测的无线传感器网络系统，包括：
本地网络，即数据采集和传输网络，采用无线组网技术来采集并传输采集到的环境参数；网关，用于桥接本地网络和星载数据网络/总线，以实现二者之间的数据交换；星载数据网络/总线，用于实现该总线上的终端之间及终端与星载计算机之间的通信；和星载计算机，用于判断本地网络采集的环境数据是否处于正常范围，并在判断为不正常时发出适当的指令到相关设备。
2.根据权利要求1所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于，所述本地网络采用的无线组网技术是ZigBee、ZigBee Pro、蓝牙、RFID、UWB技术之一。
3.根据权利要求2所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于，所述本地网络的节点根据功能分为协调器、路由器和终端设备。
4.根据权利要求3所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于，所述的协调器、路由器和终端设备的硬件包括电源模块、ZigBee协议芯片、传感器采集模块、串口接口模块和外围电路。
5.根据权利要求1所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于，所述星载数据网络/总线使用1553B、CAN、SpaceWire、1394总线之一。
6.根据权利要求5所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于，所述星载数据网络/总线为1553B时，所述本地网络只与所述星载数据网络/总线的一个远置终端连接。
7.根据权利要求1所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于，所述网关由星载数据网络/总线接口单元、微处理器和本地网络接口单元组成，该微处理器通过控制所述两个接口单元之间的数据交换来实现所述两个网络间的数据交换。
8.根据权利要求1所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于：所述本地网络采用Zigbee Pro网络技术，所述星载数据网络/总线采用1553B总线，所述网关由1553B总线接口单元、微处理器和串口接口单元组成。
9.根据权利要求8所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于：所述本地网络测量航天器内各舱至少有三个终端设备和一个路由器，用于测量舱内的温度、湿度、压强、辐射度。
10.根据权利要求8所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于：所述本地网络采用ZigBee Pro网络的网状网拓扑，多对一路由选择/源路由的路由方式。
11.根据权利要求8所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于：所述本地网络仅包括一个协调器。
12.根据权利要求8所述的航天器内环境监测的无线传感器网络系统，其特征在于：所述星载计算机采用插有1553B板卡的计算机模拟。
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