CN112393863A - 用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统 - Google Patents

用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统 Download PDF

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陈覃
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Abstract

本发明涉及无线测控技术领域，公开了一种用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统。该系统包括：无线传感器模块，用于根据采集指令采集环境中X、Y、Z三轴向加速度量值；控制模块，与所述无线传感器模块连接，用于向所述无线传感器模块发送采集指令并接收、处理、转发和存储所述无线传感器模块采集的加速度量值；无线模块，与所述控制模块连接，用于将处理后的加速度量值传输至上位机协调器以及与其他无线传感器通信；供电模块，用于为系统供电。由此，可以实时获取加速度参数，无需线缆连接，避免了复杂布线和飞行器空间占用问题。

Description

用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统
技术领域
本发明涉及无线测控技术领域，尤其涉及一种用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统。
背景技术
飞行器在地面的环境(振动)试验阶段的各种回检参数对设计和状态分析有很大影响,尤其是加速度参数。目前试验用检测加速度量值的传感器采用有线通信方式，传感器和监控系统通过线缆连接，要求飞行器内必须预留一部分空间用于布线。这不仅占用了飞行器内部的有限空间，同时也加重了飞行器的重量。此外还存在传感器布线困难，耗时长，对操作人员要求高，电缆传输和连接位置容易引入噪声，线缆长度对于长距离测试的限制等。
发明内容
本发明提供了一种用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统，能够解决现有技术中占用飞行器空间、加重飞行器重量及传感器布线困难等技术问题。
本发明提供了一种用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统，其中，该系统包括：
无线传感器模块，用于根据采集指令采集环境中X、Y、Z三轴向加速度量值；
控制模块，与所述无线传感器模块连接，用于向所述无线传感器模块发送采集指令并接收、处理、转发和存储所述无线传感器模块采集的加速度量值；
无线模块，与所述控制模块连接，用于将处理后的加速度量值传输至上位机协调器以及与其他无线传感器通信；
供电模块，用于为系统供电。
优选地，所述控制模块为微控制单元MCU模块，所述MCU模块包括主控制芯片、从控制芯片和存储卡控制器，所述主控制芯片控制所述无线传感器模块采集X、Y、Z三轴向加速度量值并将采集的加速度量值处理后传输至所述从控制芯片，所述从控制芯片对采集的加速度量值进行调制并将调制后的加速度量值发送至所述存储卡控制器进行存储，所述主控制芯片还控制所述无线模块与所述上位机协调器和其他无线传感器通信。
优选地，所述主控制芯片和所述从控制芯片为STM32F103RCT6芯片，所述存储卡控制器为CH376S存储卡控制器。
优选地，所述无线传感器模块包括ADXL345BCCZ芯片。
优选地，所述无线模块包括CC2530F256RFAR芯片。
优选地，所述主控制芯片通过第一UART串口与所述无线模块中的CC2530F256RFAR芯片相连，所述主控制芯片通过第二UART串口与从控制芯片相连，所述主控制芯片通过4线SPI总线接口与所述无线传感器模块中的ADXL345BCCZ芯片相连，所述从控制芯片通过4线SPI总线接口与存储卡控制器相连。
优选地，所述供电模块包括电压转换模块、电池仓和设置在所述电池仓中的电池组，所述电压转换模块对所述电池组输出的电压进行转换后为系统供电。
优选地，所述电压转换模块为AMS1117-3.3芯片。
优选地，所述电池组包括多个干电池。
优选地，该系统还包括外部电源开关。
通过上述技术方案，无线传感器模块根据采集指令采集环境中X、Y、Z三轴向加速度量值，控制模块向所述无线传感器模块发送采集指令并接收、处理、转发和存储所述无线传感器模块采集的加速度量值，无线模块将处理后的加速度量值传输至上位机协调器以及与其他无线传感器通信，并通过供电模块为系统各模块供电。由此，可以实时获取加速度参数，无需线缆连接，避免了复杂布线和飞行器空间占用问题，并且该系统具有体积小、便于安装、功耗低和成本低的优点，可以解决现有技术中有线传感器在飞行器振动试验中的问题，并满足飞行器振动试验中加速度量值参数采集的频率、幅值及精度的一般要求，满足数据实时传输的要求，满足数据传输过程中的保密和安全性要求，且在低功耗模式下可实现长时间对加速度量值的监测和数据存储。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的一种用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统的方框图；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示出了根据本发明实施例的一种用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统的方框图。
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于飞行器振动试验监测(检测)加速度量值的无线传感器系统，其中，该系统包括：
无线传感器模块10，用于根据采集指令采集环境中X、Y、Z三轴向加速度量值；
举例来讲，无线传感器模块10的可实现同时采集X、Y、Z三轴向加速度量值，并把16位数据传输给控制模块。
控制模块12，与所述无线传感器模块10连接，用于向所述无线传感器模块10发送采集指令并接收、处理、转发和存储所述无线传感器模块10采集的加速度量值；
无线模块14，与所述控制模块12连接，用于将处理后的加速度量值传输至上位机协调器以及与其他无线传感器通信；
也就是，无线模块14用于组织建立无线网络，实现与上位机协调器(监控侧)或其他无线传感器的多向通信。
供电模块16，用于为系统供电。
其中，上述各模块间相互独立。
通过上述技术方案，无线传感器模块根据采集指令采集环境中X、Y、Z三轴向加速度量值，控制模块向所述无线传感器模块发送采集指令并接收、处理、转发和存储所述无线传感器模块采集的加速度量值，无线模块将处理后的加速度量值传输至上位机协调器以及与其他无线传感器通信，并通过供电模块为无线传感器系统供电。由此，可以实时获取加速度参数，无需线缆连接，避免了复杂布线和飞行器空间占用问题，并且该系统具有体积小、便于安装、功耗低和成本低的优点，可以解决现有技术中有线传感器在飞行器振动试验中的问题，并满足飞行器振动试验中加速度量值参数采集的频率、幅值及精度的一般要求，满足数据实时传输的要求，满足数据传输过程中的保密和安全性要求，且在低功耗模式下可实现长时间对加速度量值的监测和数据存储。
其中，无线传感器模块10可以具有功耗模式、自动休眠模式和待机模式，功耗可以随采集速率改变。举例来讲，可以通过控制模块12发送的采集指令对无线传感器模块10的采样频率、采样范围、数据格式、分辨率、功耗模式等的配置。
根据本发明一种实施例，所述控制模块12为微控制单元MCU模块，所述MCU模块包括主控制芯片120、从控制芯片122和存储卡控制器124，所述主控制芯片120控制所述无线传感器模块10采集X、Y、Z三轴向加速度量值(和交换控制消息)并将采集的加速度量值处理后传输至所述从控制芯片122，所述从控制芯片122对采集的加速度量值进行调制并将调制后的加速度量值发送至所述存储卡控制器124进行存储，所述主控制芯片120还控制所述无线模块14与所述上位机协调器和其他无线传感器通信。
换言之，主控制芯片负载控制无线传感器模块的数据采集、采集的数据的转换和处理、以及转发，且主控制芯片还负载控制无线模块，实现和其他节点的无线通信，收发采集数据和交换控制消息，并将采集的数据传输给从控制芯片和无线模块，从控制芯片则将数据转发至存储卡控制器以将数据存储至存储卡中。
根据本发明一种实施例，所述主控制芯片120和所述从控制芯片122为STM32F103RCT6芯片(32位ARM cortex-M处理器STM32F103RCT6)，所述存储卡控制器124为CH376S存储卡控制器(SD控制器)。
也就是，MCU模块可以采用双ARM处理器架构加存储卡控制器。
根据本发明一种实施例，所述无线传感器模块10包括ADXL345BCCZ芯片。
也就是，无线传感器模块可以采用数字型输出结构，例如配置1片ADXL345BCCZ芯片。ADXL345BCCZ芯片可采集环境中X、Y、Z三轴向加速度量值，并存储为16位分辨率的数字量回传给MCU模块。
其中，ADXL345BCCZ芯片是一款小而薄的超低功耗3轴MEMS加速度采集芯片，ADXL345采用3mm×5mm×1mm、14引脚小型超薄塑料封装，分辨率高达13位，测量范围达±16g。主要功能是采集X、Y、Z三轴向加速度量值，并把16位数据传输给MCU模块。ADXL345BCCZ是一款MEMS数字加速度计，其采集量为物理量加速度值，正常工作时设定为3200MHz采样，16g采样范围，最高分辨率，16位数字补码输出。
根据本发明一种实施例，所述无线模块14包括CC2530F256RFAR芯片。
举例来讲，无线模块14可以配置1片CC2530F256RFAR芯片，支持2.4GHz的ZigBee网络通讯，用于组织建立无线网络，实现与协调器或者其他无线传感器的多向通讯。
其中，CC2530F256RFAR芯片是符合IEEE802.15.4标准的射频芯片。具有传输速率高,传输距离远和低功耗等优点，通过UART与主控制芯片通讯，通过射频与其他CC2530实现自组网传输信息。
根据本发明一种实施例，所述主控制芯片120通过第一UART串口与所述无线模块14中的CC2530F256RFAR芯片相连，所述主控制芯片120通过第二UART串口与从控制芯片122相连，所述主控制芯片120通过4线SPI总线接口与所述无线传感器模块10中的ADXL345BCCZ芯片相连，所述从控制芯片122通过4线SPI总线接口与存储卡控制器124相连。
此外，在本发明中，无线传感器模块10、控制模块12、和无线模块14还可以包括对应的外围电路，为了不混淆本发明，在此不再赘述。
其中，无线模块14的外围电路可以包括晶振电路、天线及阻抗匹配电路、接口电路和引脚的去耦滤波电路等。
根据本发明一种实施例，所述供电模块14包括电压转换模块、电池仓和设置在所述电池仓中的电池组，所述电压转换模块对所述电池组输出的电压进行转换后为系统供电。
举例来讲，电池仓的尺寸可以为55mm*55mm*12mm。
根据本发明一种实施例，所述电压转换模块为AMS1117-3.3芯片。
根据本发明一种实施例，所述电池组包括多个干电池。
也就是，供电模块可以采用干电池配合稳压器的方式进行供电，干电池便于拆卸安装。
举例来讲，干电池例如可以为7号电池，干电池的数量可以为4节。
举例来讲，可以通过电压转换模块将节7号电池提供的输入6V电压转换成3.3V输出，供给系统中的各个模块。
可替换地，电池组也可以包括可充电锂电池，通过可充电锂电池实现对系统各模块的供电。
本领域技术人员应当理解，上述关于电池组的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
根据本发明一种实施例，该系统还包括外部电源开关。
也就是，供电可以通过外部电源开关控制，外部电源开关打开，无线传感器模块节点处于待机状态，当接收到采集指令后，无线传感器模块进入工作模式。
从上述实施例可以看出，本发明上述实施例描述的无线传感器系统具有以下优点：
(1)能够实现通过Zigbee网络传输加速度量值，数据通信能力强、100米内可实现至多传感器同时双向通信，实现了飞行器振动试验加速度量值的无线监测(检测)需求；
(2)所采用的加速度模块设计可以覆盖一般振动试验测试加速度量值的精度、带宽和幅值需求，实现了飞行器振动试验加速度量值的采集需求；
(3)采用低功耗模块化设计，传感器可以长时间工作监测加速度量值，因此可用于工业环境监测等领域。
(4)采用工业级器件设计，具有较强的环境适应能力，从而适用于飞行器振动试验。
(5)电路结构清晰，工作稳定可靠，创新性采用双ARM处理器架构，主STM32作为整个传感器的控制中心，完成数据采集、处理和转发，同时从STM32用于数据加工并存储，分工明确，降低了采用单一处理器带来的数据误差和功耗较大的问题。
(6)采用模块化独立设计，无线模块除了采用上述实施例中描述的芯片，还可以采用其他的芯片以实现不同网络类型的无线通讯，例如光通信，5G通信等；并且，除了上述实施例中描述的采集加速度，还可以通过更换无线传感器模块实现其他不同参数的无线检测(监测)，例如温度，电流，湿度参数。
(7)采用的元器件均为小型化封装，依据本发明设计的无线传感器样机具有小型化特点，最小可达30*30*30mm，适用于飞行器内部的有限空间，并减少配重。
(8)采用的MCU模块使用的是32位的STM32F103芯片作为核心处理器，处理速度快，功能较强，扩展性好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于飞行器振动试验监测加速度量值的无线传感器系统，其特征在于，该系统包括：
无线传感器模块，用于根据采集指令采集环境中X、Y、Z三轴向加速度量值；
控制模块，与所述无线传感器模块连接，用于向所述无线传感器模块发送采集指令并接收、处理、转发和存储所述无线传感器模块采集的加速度量值；
无线模块，与所述控制模块连接，用于将处理后的加速度量值传输至上位机协调器以及与其他无线传感器通信；
供电模块，用于为所述无线传感器系统供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块为微控制单元MCU模块，所述MCU模块包括主控制芯片、从控制芯片和存储卡控制器，所述主控制芯片控制所述无线传感器模块采集X、Y、Z三轴向加速度量值并将采集的加速度量值处理后传输至所述从控制芯片，所述从控制芯片对采集的加速度量值进行调制并将调制后的加速度量值发送至所述存储卡控制器进行存储，所述主控制芯片还控制所述无线模块与所述上位机协调器和其他无线传感器通信。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主控制芯片和所述从控制芯片为STM32F103RCT6芯片，所述存储卡控制器为CH376S存储卡控制器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述无线传感器模块包括ADXL345BCCZ芯片。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述无线模块包括CC2530F256RFAR芯片。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述主控制芯片通过第一UART串口与所述无线模块中的CC2530F256RFAR芯片相连，所述主控制芯片通过第二UART串口与从控制芯片相连，所述主控制芯片通过4线SPI总线接口与所述无线传感器模块中的ADXL345BCCZ芯片相连，所述从控制芯片通过4线SPI总线接口与存储卡控制器相连。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，所述供电模块包括电压转换模块、电池仓和设置在所述电池仓中的电池组，所述电压转换模块对所述电池组输出的电压进行转换后为系统供电。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电压转换模块为AMS1117-3.3芯片。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电池组包括多个干电池。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，该系统还包括外部电源开关。
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