CN106102114A - 飞行器状态监测无线传感网络构建方法 - Google Patents

Abstract

飞行器状态监测无线传感网络的建立方法，涉及飞行器状态监测无线传感网络构建技术。是为了实现在飞行器上构建无线传感网络以适应飞行器状态监测的需求。发明的终端节点发送DODAG请求信息包DIS，收集所有范围内邻居节点信息；邻居节点收到DIS后开始发送DODAG信息对象DIO包；所有接收到的DIO包都将被缓存，更新自身邻居表，节点根据目标函数的计算结果，计算节点和根的相对距离是多少，选择合适的节点；同时收到路由请求的节点向子节点建立反向路径，向选中的父节点发送目的地通告DAO包，告知其是子节点；父节点更新了自身的路由表后，再向父节点的父节点发DAO，最后到达主节点。本发明适用于飞行器状态监测场合。

Description

飞行器状态监测无线传感网络构建方法

技术领域

本发明涉及飞行器状态监测无线传感网络构建技术。

背景技术

飞行器在轨运行期间，对其上设备的状态进行监视是一项重要的工作。但由于监视工作复杂且繁重，现有飞行测试系统存在的测试参数多、引线复杂、附加重量大、缺乏灵活性、可扩充性和智能化程度低等问题，而且在不同的传感器获取传感器数据时，所需要的时间是不一致的，数据类型也不尽相同，这就造成了数据采集及分类处理的麻烦。

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是由大量能够进行数据感知、信号处理及通信的传感器节点组成的无线网络，传感器节点具有体积小、造价低等特点，在监测范围内部自组织地构成网络，目前已被广泛应用在军事、环境、工业等重要领域。目前，在飞行器状态监测方面还没有应用。

发明内容

本发明是为了实现在飞行器上构建无线传感网络以适应飞行器状态监测的需求，从而提供一种飞行器状态监测无线传感网络构建方法。

飞行器状态监测无线传感网络的建立方法，该无线传感网络包括1个主节点、M个中间节点和N个终端节点，M和N均为正整数；每个终端节点至少能够与一个中间节点通信；每个中间节点至少能够与一个中间节点或主节点通信；

该方法的路由建立方法基于PRL路由协议实现，其自组织流程包括以下步骤：

步骤一、终端节点作为请求节点，广播DODAG请求信息包DIS，收集通信范围内所有邻居节点信息；

步骤二、每个邻居节点收到DODAG请求信息包DIS后，发送DODAG信息对象DIO包给请求节点；

步骤三、请求节点将接收到的DODAG信息对象DIO包缓存，并更新自身邻居表；请求节点根据目标函数计算每个邻居节点与主节点的相对距离，选择相对距离最小的节点；并将该节点做为父节点，并向该父节点发送路由请求；

步骤四、收到路由请求的节点向子节点建立反向路径，并根据步骤三的选择父节点选择方法选定其父节点，并向选中的父节点发送目的地通告DODAG信息对象DAO包，告知其是子节点；

步骤五、每个父节点更新了自身的路由表后，再向其父节点发目的地通告DODAG信息对象DAO；

重复步骤四和五，直至到达主节点，完成飞行器状态监测无线传感网络的路由建立。

无线传感网络内，各节点传递信息的每个数据帧共16字节，格式依次为：

帧开头：2字节；传感器类型：1字节；传感器状态：1字节；采集数据：9字节；帧结束：2字节；保留位：1字节。

无线传感网络内，各节点传递的信息为飞行器状态监测数据，所述飞行器状态监测数据类型与所使用的传感器如下所示：

热电偶：采集16进制温度值；

热电阻：热电阻值与参考电阻之比；

九轴加速度传感器：X、Y、Z三轴加速度计值；

X、Y、Z三轴陀螺仪值；

X、Y、Z三轴磁传感器值；

压力传感器：电压值；

应变片：电压值。

无线传感网络内，基于RPL路由协议的传感器数据采集及传输流程为：

步骤A1、传感器初始化；

步骤A2、根据传感器节点地址判断该传感器节点是否为主节点，若该节点是主节点，则不再进行传感器数据的采集，若该节点不是主节点，运行传感器数据采集进程；

步骤A3、完成数据采集后，通过基于RPL协议的自组织网络构建方法寻找路径最短的父节点，并将数据传输至对应的父节点；该父节点再以相同的方式将传感器数据向上传至其父节点，直至传输至主节点为止。

运行传感器数据采集进程的流程为：

步骤B1、利用SENSORS_ACTIVATE激活相应的传感器，清空packetbuf，设置数据传输缓冲区的长度；

步骤B2、获取传感器数据；并判断采集到的数据是否为有效数据，若该数据为有效数据，则继续完成数据的缓存及存储，并执行步骤B3；否则，执行步骤B4；

步骤B3、最后利用SENSORS_DEACTIVATE重置传感器；

步骤B4、清空packetbuf，并返回执行步骤B2。

本发明设计一种基于无线的飞行器状态监测系统，将传感器节点部署在飞行器各个部位，采用自组网的方式使传感器采集数据得以无线传输、汇聚，从而能够减少大量的现场连线和附加重量，增加系统灵活性。同时，使用专门的传感器数据协议，便于传感器数据的统一管理。

本发明获得的有益效果：

1、实现对飞行器状态参数的采集与数据的无线传输。

2、实现不同传感器类型数据的统一管理，从每一帧传感器数据中，均可读出所有相关信息，包括传感器状态、传感器种类、传感器采集数据等。

3、实现了传感器节点的自组网，并通过无线传感器网络实现状态信息的层层汇聚。

附图说明

图1是自组织传感器网络拓扑结构示意图；

图2是传感器数据帧格式示意图；

图3是传感器数据采集及传输流程示意图；

图4是传感器数据采集进程流程示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、飞行器状态监测无线传感网络的建立方法，本发明采用Contiki操作系统作为开发环境，使用RPL路由协议的拓扑构建进行无线传感网络的自组织，传感器节点通过路由度量来选择最优的路径，从而寻找父节点，实现数据传输及汇聚的功能。

本发明主要设计一个专用的传感器数据协议，使数据更具规范性，便于数据分类、分析与处理。本发明实现了一种用于飞行器状态监测的传感器节点自组织网络的方法，采用RPL路由协议实现邻居发现，即寻找相邻父节点的功能，达到传感器数据通过中心节点汇聚至主节点的目的。

1、传感器数据协议

根据飞行器状态信息采集的需求，本发明主要专注于5种传感器类型的信号采集。传感器节点连接串口传感器，由于不同类型的传感器获取传感器数据所需要的采集时间长度不一致，采集频率不同，数据类型及含义也不相同，为了方便数据区分、分析及统一处理，本发明设计了一种统一的传感器数据协议。飞行器飞行过程中的物理状态主要包括温度、压力、应变、加速度等，因此，本发明共使用了以下5种传感器类型，类型定义及传感器数据如表1所示。

表1传感器数据类型

根据上表所示的不同种类的传感器类型对应的传感器返回数据，本发明设计一个16字节的传感器数据帧，均用16进制表示，格式如图2所示。

其中，每一帧的长度和定义如表2所示。

表2传感器数据帧定义

在Contiki操作系统中，发送数据先通过packetbuf缓冲，再进行处理。发送传感器数据时，将上述传感器数据传输格式装载到packetbuf中，自动设置数据长度，通过使用packetbuf_copyto取走发送数据。

串口读入一个传感器数据帧，存入packetbuf，如果第一个和第二个字符是否为0x55AA，若不是，清空缓存，重新读取数据；如果第五个字符，即传感器状态为未工作状态，清空缓存，重新读取数据。

2、基于RPL路由协议的自组织网络

RPL是为LLN(Low-power and Lossy Netolrks)而设计的距离矢量路由协议，基于有向无环图(Destination Oriented Directed Acyclic Graph，DODAG)的拓扑概念，通过使用目标函数(Objective Function，OF)和度量集合构建以目的节点为导向的有向无环图。其中，目标函数利用度量和约束条件的集合计算出最优路径。RPL结合了mesh和分层结构的拓扑。

基于PRL路由协议的自组织流程如下：首先终端节点发送DODAG请求信息包(DODAGInformation Solicitation，DIS)，收集所有范围内邻居节点信息；邻居节点收到DIS后开始发送DODAG信息对象(DODAG Information Object，DIO)包；所有接收到的DIO包都将被缓存，更新自身邻居表，节点根据目标函数的计算结果，计算节点和根的相对距离是多少，选择合适的节点；同时收到路由请求的节点向子节点建立反向路径，向选中的父节点发送目的地通告(Destination Advertisement Object，DAO)包，告知其是子节点；父节点更新了自身的路由表后，再向父节点的父节点发DAO，最后到达主节点。节点需要向上路由时，只需传送给自己的父节点，父节点继续将之发送给自己的父节点，一直向上传送到根。

3、传感器数据采集传输过程

基于RPL路由协议的传感器数据采集及传输流程图如下图所示。首先，进行传感器的初始化；按照传感器节点地址判断该传感器节点是否为主节点，若该节点是主节点，则不再进行传感器数据的采集，若该节点不是主节点，运行传感器数据采集进程；完成数据采集后，通过基于RPL协议的自组织网络构建方法寻找路径最短的父节点，并将数据传输至对应的父节点；父节点再以相同的方式将传感器数据向上传至父节点，直至主节点为止。

图3中运行传感数据采集进程的流程图如图4所示。详细的操作流程为：利用SENSORS_ACTIVATE激活相应的传感器，清空packetbuf，设置数据传输缓冲区的长度；获取传感器数据；利用上述传感器数据协议判断采集到的数据是否为有效数据，若该数据为有效数据，则继续完成数据的缓存及存储，否则，清空packetbuf，重新获取传感器数据；最后利用SENSORS_DEACTIVATE重置传感器。

具体实施方式二、结合图3说明本具体实施方式，

1、在无线传感器节点上挂接5种传感器，并在节点上进行Contiki操作系统的移植、驱动程序的烧写等，并将终端节点部署在不同的位置，主节点与主控计算机相连，搭建基于无线传感器网络的分布式测量系统；

2、根据发明中定义的传感器数据格式创建传感器传输数据，多种类型的传感器数据采用上述格式进行传输，通过帧开头和传感器状态判断数据是否为有效数据，若不是有效数据，重新采集数据；

3、基于RPL路由协议进行自组网。通过发现邻居，更新自身邻居表，根据OF函数计算rank深度，计算节点和根的相对距离是多少，选择合适的邻居节点作为父节点传输数据。以此方法，一直向上传至主节点。

Claims (5)

1.飞行器状态监测无线传感网络的建立方法，其特征是：该无线传感网络包括1个主节点、M个中间节点和N个终端节点，M和N均为正整数；每个终端节点至少能够与一个中间节点通信；每个中间节点至少能够与一个中间节点或主节点通信；

该方法的路由建立方法基于PRL路由协议实现，其自组织流程包括以下步骤：

步骤一、终端节点作为请求节点，广播DODAG请求信息包DIS，收集通信范围内所有邻居节点信息；

步骤二、每个邻居节点收到DODAG请求信息包DIS后，发送DODAG信息对象DIO包给请求节点；

步骤三、请求节点将接收到的DODAG信息对象DIO包缓存，并更新自身邻居表；请求节点根据目标函数计算每个邻居节点与主节点的相对距离，选择相对距离最小的节点；并将该节点做为父节点，并向该父节点发送路由请求；

步骤四、收到路由请求的节点向子节点建立反向路径，并根据步骤三的选择父节点选择方法选定其父节点，并向选中的父节点发送目的地通告DODAG信息对象DAO包，告知其是子节点；

步骤五、每个父节点更新了自身的路由表后，再向其父节点发目的地通告DODAG信息对象DAO；

重复步骤四和五，直至到达主节点，完成飞行器状态监测无线传感网络的路由建立。

2.根据权利要求1所述的飞行器状态监测无线传感网络的建立方法，其特征在于无线传感网络内，各节点传递信息的每个数据帧共16字节，格式依次为：

帧开头：2字节；传感器类型：1字节；传感器状态：1字节；采集数据：9字节；帧结束：2字节；保留位：1字节。

3.根据权利要求1所述的飞行器状态监测无线传感网络的建立方法，其特征在于无线传感网络内，各节点传递的信息为飞行器状态监测数据，所述飞行器状态监测数据类型与所使用的传感器如下所示：

热电偶：采集16进制温度值；

热电阻：热电阻值与参考电阻之比；

九轴加速度传感器：X、Y、Z三轴加速度计值；

X、Y、Z三轴陀螺仪值；

X、Y、Z三轴磁传感器值；

压力传感器：电压值；

应变片：电压值。

4.根据权利要求1所述的飞行器状态监测无线传感网络的建立方法，其特征在于无线传感网络内，基于RPL路由协议的传感器数据采集及传输流程为：

步骤A1、传感器初始化；

步骤A2、根据传感器节点地址判断该传感器节点是否为主节点，若该节点是主节点，则不再进行传感器数据的采集，若该节点不是主节点，运行传感器数据采集进程；

步骤A3、完成数据采集后，通过基于RPL协议的自组织网络构建方法寻找路径最短的父节点，并将数据传输至对应的父节点；该父节点再以相同的方式将传感器数据向上传至其父节点，直至传输至主节点为止。

5.根据权利要求4所述的飞行器状态监测无线传感网络的建立方法，其特征在于，运行传感器数据采集进程的流程为：

步骤B1、利用SENSORS_ACTIVATE激活相应的传感器，清空packetbuf，设置数据传输缓冲区的长度；

步骤B2、获取传感器数据；并判断采集到的数据是否为有效数据，若该数据为有效数据，则继续完成数据的缓存及存储，并执行步骤B3；否则，执行步骤B4；

步骤B3、最后利用SENSORS_DEACTIVATE重置传感器；

步骤B4、清空packetbuf，并返回执行步骤B2。