CN110455394B - 屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法 - Google Patents

屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法 Download PDF

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Abstract

屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法，涉及助航灯设备监测及通信机制设计方法。本发明的目的是为了解决现有纯人工巡查容易造成漏查、误查、统计错误等问题以及常规的监测方法和无线通信方式无法满足助航灯监测系统的要求的问题。过程为：一、采用将装有加速度传感器的监测设备固定在助航灯内，对助航灯进行振动监测；二、设定加速度传感器触发门限初始值、加速度传感器触发门限用户设定值、采样保护周期，以及此周期内总的采样次数；三、自动调整加速度传感器的触发门限，将超过门限的有效触发数据发送至数据中心；四、在发送有效数据至数据中心时，采用两种通信机制。发明用于机场助航灯的监测及通信机制领域。

Description

屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法
技术领域
本发明涉及机场助航灯的监测及通信机制领域，尤其涉及助航灯设备监测及通信机制设计方法。
背景技术
机场助航灯光是机场中重要的目视助航设备，其目的是为了更好地引导飞机安全进场着陆以及引导飞机进出停机坪和跑道，尤其在夜间和低能见度条件下，机场助航灯光系统更是发挥着它不可替代的作用。通常将机场的助航灯光系统称作是飞机的“眼睛”。每种类型的助航灯光都有颜色、光强等级、光的照射角度、最小光源有效范围等要求。灯光的光强是根据不同的气候条件、能见度而变化的。
机场助航灯光是夜间和复杂气象条件下飞行的重要保障设施，灯光系统运行是否稳定可靠，直接影响飞行安全。机场灯具品牌复杂，类型繁多。采用人工方式管理虽绝大部分机场灯光设施可以满足机场运行需求。但是，由于机场助航灯数量多、分布范围广，巡查全场需要投入的人力、物力巨大，并且纯人工巡查容易造成漏查、误查、统计错误等问题，将直接影响整个机场的安全运行。
助航灯在线监测终端及系统一直是机场运维部门关心的重要课题之一。但是，由于地面助航灯的外壳和灯座均为金属材质，对监测设备的无线传输能力要求较高，因此，常规的监测方法和无线通信方式无法满足助航灯监测系统的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有纯人工巡查容易造成漏查、误查、统计错误等问题以及常规的监测方法和无线通信方式无法满足助航灯监测系统的要求的问题，而提出屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法。
屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法具体过程为：
步骤一、采用将装有加速度传感器的监测设备固定在助航灯内，对助航灯进行振动监测；
步骤二、设定加速度传感器触发门限初始值Ainitial、加速度传感器触发门限用户设定值Acloud、信噪比的加权系数、信号灵敏度的加权系数、采样保护周期T，以及此周期内总的采样次数m；
步骤三、基于步骤二采用自适应门限振动监测算法，自动调整加速度传感器的触发门限，将超过门限的有效触发数据发送至数据中心；
步骤四、在发送有效数据至数据中心时，采用两种通信机制；
1)、采用低功耗(微安级)动态数据长度发送机制；
2)、采用低功耗(微安级)动态重发机制。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出的屏蔽环境下助航灯设备低功耗监测方法及通信机制，可以使电池供电的监测设备在屏蔽环境下实现助航灯状态监测，并将振动、温湿度、电流等数据上传至云平台，解决现有纯人工巡查容易造成漏查、误查、统计错误等以及常规的监测方法和无线通信方式无法满足助航灯监测系统的要求的问题，提升助航灯系统的运维效率。
2、本发明提出的自动适应门限振动监测算法，能够自动调整加速度传感器的触发门限，在满足低功耗的要求的情况下，将有效数据发送至数据中心，实现助航灯振动状态监测及数据分析。
3、如图2为本发明的动态数据长度发送机制和固定数据长度发送机制的功耗对比图；固定数据长度发送机制和本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝27，RSSI＝-45dBm时，无线发送瞬时电流都为235mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝20，RSSI＝-60dBm时，无线发送瞬时电流都为242mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝20，RSSI＝-60dBm时，无线发送瞬时电流都为232mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝15，RSSI＝-80dBm时，无线发送瞬时电流都为238mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝20，RSSI＝-80dBm时，无线发送瞬时电流都为228mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝8，RSSI＝-100dBm时，无线发送瞬时电流都为240mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝8，RSSI＝-100dBm时，无线发送瞬时电流都为223mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝4，RSSI＝-115dBm时，无线发送瞬时电流都为242mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝4，RSSI＝-115dBm时，无线发送瞬时电流都为216mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝1，RSSI＝-125dBm时，无线发送瞬时电流都为246mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝1，RSSI＝-125dBm时，无线发送瞬时电流都为212mA；
本发明提出的动态数据长度发送机制，在相同的信号质量下，动态数据长度发送机制的功耗要低于固定数据长度发送机制的功耗，因此，在同等信号质量下，动态数据长度发送机制可以有效降低助航灯监测设备的能量消耗。
4、本发明提出的动态重发机制，在相同的信号质量下，动态重发机制的功耗要低于固定重发机制的功耗，并且动态重发与动态数据长度发送结合的机制功耗低于动态重发机制功耗。因此，在同等信号质量下，动态重发与动态数据长度发送结合的机制可以极大降低助航灯监测设备的能量消耗。
附图说明
图1为本发明的自适应门限振动监测方法和固定门限振动监测方法功耗对比图；
图2为本发明的动态数据长度发送机制和固定数据长度发送机制的功耗对比图；
图3为本发明的动态重发机制、动态重发+动态数据长度发送机制和固定重发机制功耗对比图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法具体过程为：
步骤一、采用将装有加速度传感器的监测设备固定在助航灯内，对助航灯进行振动监测；
步骤二、根据机场航班的起降频度，设定加速度传感器触发门限初始值Ainitial、加速度传感器触发门限用户(在云端)设定值Acloud、信噪比的加权系数、信号灵敏度的加权系数、采样保护周期T，以及此周期内总的采样次数m等参数；
步骤三、基于步骤二采用自适应门限振动监测算法，自动调整加速度传感器的触发门限，将超过门限的有效触发数据发送至数据中心；
步骤四、在发送有效数据至数据中心时，采用两种通信机制；
1)、采用低功耗(微安级)动态数据长度发送机制；
2)、采用低功耗(微安级)动态重发机制。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中采用的加速度传感器测量范围为±4g(g代表重力加速度)，测量精度为1.9mg(mg代表千分之一重力加速度)，6Hz采集频率情况下加速度传感器的待机功耗为2uA，数据接口工作情况下的功耗为10uA。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二中根据机场航班的起降频度，设定加速度触发门限初始值Ainitial、云端加速度触发门限设定值Acloud、信号信噪比的加权系数、信号灵敏度的加权系数、采样保护周期T，以及此周期内总的采样次数m等参数；具体过程为：
设定加速度触发门限初始值为5mg、云端加速度触发门限设定为0，α,β均为0.5，采样保护周期为1小时，此周期内总的采样次数m取值为2、4、6、8或10；
α为信号信噪比的加权系数，β为信号灵敏度的加权系数。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三中为了降低监测设备的功耗，延长设备工作寿命，基于步骤二采用自适应门限振动监测算法自动调整加速度传感器的触发门限，具体过程为：
加速度传感器的触发门限设定值计算公式如下：
a.当tm-t1＞T时，Ath＝max(Ainitial,Acloud)
b.当tm-t1≤T时，
Figure BDA0002177084930000041
式中，tm为第m次加速度传感器采集的时间点；t1为第1次加速度传感器采集的时间点；T为设定的满足低功耗要求的采样保护周期；Ath为加速度传感器的触发门限设定值；Ainitial为加速度传感器的触发门限初始值；Acloud为云端加速度传感器的触发门限设定值；An为第n次加速度传感器的采样值；n为采样次数；m为采样保护周期内总的采样次数。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤四中采用低功耗动态数据长度发送机制；具体过程为：
在低功耗动态数据长度发送机制下，发送数据长度的计算公式如下：
Figure BDA0002177084930000042
式中，DLen为发送数据的长度；SNR为最近一次获取的信噪比；SNRmin为NB-IoT信噪比的最小值；SNRmax为NB-IoT信噪比的最大值；RSSI为最近一次获取的信号灵敏度；RSSImin为NB-IoT的信噪比灵敏度的最小值；RSSImax为NB-IoT的信噪比灵敏度的最大值；DWLen为数据的最大长度；DELen为有效数据的长度；α+β＝1，*为乘号；
所述NB-IoT为窄带物联网。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤四中采用低功耗动态重发机制，根据信号质量的优劣，调整数据的重发次数，降低通信质量良好工况下的数据重发次数，在保证通信成功率的同时，降低设备功耗。具体过程为：
在满足低功耗需求的情况下，重发次数的计算公式如下：
Figure BDA0002177084930000051
式中，Rs为重发次数；Rmax为设定的最大重发次数；
注：其他参数定义与动态数据长度发送机制的数据长度计算公式的参数相同。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述实验设备安装在助航灯内，且助航灯安装在灯座内。设定SNRmin为0，SNRmax为30，RSSImin为-140dBm，RSSImax为-44dBm，DWLen为30字节，DELen为8字节，发送数据的长度DLen为30字节。
由于监测数据包含设备标识符、传感器信息、时间戳、数据协议包头、校验字等多个信息，因此，在通信质量较差时，依据本文定义的通信机制，监测设备可以只发送传感器信息、校验字信息等有效数据，以降低发射功耗，提升通信成功率。在通信质量一般时，可以发送有效数据加部分其他信息，或将非有效数据信息截短进行发送，以提高辅助信息的完整性，便于平台的数据分析。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述实验设备安装在助航灯内，且助航灯安装在灯座内。设定SNRmin为0，SNRmax为30，RSSImin为-140dBm，RSSImax为-44dBm，Rmax为5次。
本发明低功耗自适应门限振动监测方法、低功耗动态数据长度发送机制及低功耗动态重发机制，可以使电池供电的监测设备在屏蔽环境下实现低功耗助航灯状态监测，提升助航灯系统的运维效率，提高助航灯监测设备的使用寿命。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
图1为本发明的自适应门限振动监测方法和固定门限振动监测方法功耗对比图；
图2为本发明的动态数据长度发送机制和固定数据长度发送机制的功耗对比图；
固定数据长度发送机制和本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝27，RSSI＝-45dBm时，无线发送瞬时电流都为235mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝20，RSSI＝-60dBm时，无线发送瞬时电流都为242mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝20，RSSI＝-60dBm时，无线发送瞬时电流都为232mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝15，RSSI＝-80dBm时，无线发送瞬时电流都为238mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝20，RSSI＝-80dBm时，无线发送瞬时电流都为228mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝8，RSSI＝-100dBm时，无线发送瞬时电流都为240mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝8，RSSI＝-100dBm时，无线发送瞬时电流都为223mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝4，RSSI＝-115dBm时，无线发送瞬时电流都为242mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝4，RSSI＝-115dBm时，无线发送瞬时电流都为216mA；固定数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝1，RSSI＝-125dBm时，无线发送瞬时电流都为246mA；本发明的动态数据长度发送机制在无线信号质量SNR＝1，RSSI＝-125dBm时，无线发送瞬时电流都为212mA；
本发明提出的动态数据长度发送机制，在相同的信号质量下，动态数据长度发送机制的功耗要低于固定数据长度发送机制的功耗，因此，在同等信号质量下，动态数据长度发送机制可以有效降低助航灯监测设备的能量消耗。
图3为本发明的动态重发机制、动态重发+动态数据长度发送机制和固定重发机制功耗对比图。
本发明提出的动态重发机制，在相同的信号质量下，动态重发机制的功耗要低于固定重发机制的功耗，并且动态重发与动态数据长度发送结合的机制功耗低于动态重发机制功耗。因此，在同等信号质量下，动态重发与动态数据长度发送结合的机制可以极大降低助航灯监测设备的能量消耗。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、采用将装有加速度传感器的监测设备固定在助航灯内，对助航灯进行振动监测；
步骤二、设定加速度传感器触发门限初始值Ainitial、加速度传感器触发门限用户设定值Acloud、信噪比的加权系数、信号灵敏度的加权系数、采样保护周期T，以及此周期内总的采样次数m；
步骤三、基于步骤二采用自适应门限振动监测算法，自动调整加速度传感器的触发门限，将超过门限的有效触发数据发送至数据中心；
步骤四、在发送有效数据至数据中心时，采用两种通信机制；
1)、采用低功耗动态数据长度发送机制；
2)、采用低功耗动态重发机制；
所述步骤三中基于步骤二采用自适应门限振动监测算法，自动调整加速度传感器的触发门限，具体过程为：
加速度传感器的触发门限设定值计算公式如下：
a.当tm-t1＞T时，Ath＝max(Ainitial,Acloud)
b.当tm-t1≤T时，
Figure FDA0002993566480000011
式中，tm为第m次加速度传感器采集的时间点；t1为第1次加速度传感器采集的时间点；T为设定的满足低功耗要求的采样保护周期；Ath为加速度传感器的触发门限设定值；Ainitial为加速度传感器的触发门限初始值；Acloud为云端加速度传感器的触发门限设定值；An为第n次加速度传感器的采样值；n为采样次数；m为采样保护周期内总的采样次数。
2.根据权利要求1所述屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法，其特征在于：所述步骤一中采用的加速度传感器测量范围为±4g，测量精度为1.9mg，6Hz采集频率情况下加速度传感器的待机功耗为2uA，数据接口工作情况下的功耗为10uA。
3.根据权利要求1或2所述屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法，其特征在于：所述步骤二中设定加速度触发门限初始值Ainitial、加速度传感器触发门限用户设定值Acloud、信号信噪比的加权系数、信号灵敏度的加权系数、采样保护周期T，以及此周期内总的采样次数m；具体过程为：
设定加速度触发门限初始值为5mg、云端加速度触发门限设定为0，α,β均为0.5，采样保护周期为1小时，此周期内总的采样次数m取值为2、4、6、8或10；
α为信号信噪比的加权系数，β为信号灵敏度的加权系数。
4.根据权利要求3所述屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法，其特征在于：所述步骤四中采用低功耗动态数据长度发送机制；具体过程为：
发送数据长度的计算公式如下：
Figure FDA0002993566480000021
式中，DLen为发送数据的长度；SNR为最近一次获取的信噪比；SNRmin为NB-IoT信噪比的最小值；SNRmax为NB-IoT信噪比的最大值；RSSI为最近一次获取的信号灵敏度；RSSImin为NB-IoT的信噪比灵敏度的最小值；RSSImax为NB-IoT的信噪比灵敏度的最大值；DWLen为数据的最大长度；DELen为有效数据的长度；α+β＝1，*为乘号；
所述NB-IoT为窄带物联网。
5.根据权利要求4所述屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法，其特征在于：所述步骤四中采用低功耗动态重发机制，具体过程为：
重发次数的计算公式如下：
Figure FDA0002993566480000022
式中，Rs为重发次数；Rmax为设定的最大重发次数。
6.根据权利要求5所述屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法，其特征在于：所述SNRmin为0，SNRmax为30，RSSImin为-140dBm，RSSImax为-44dBm，DWLen为30字节，DELen为8字节，发送数据的长度DLen为30字节。
7.根据权利要求6所述屏蔽环境下助航灯设备监测及通信机制设计方法，其特征在于：所述Rmax为5次。
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