CN116456511A - 一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络及方法，无线传感网络包括N个中心节点，多个子节点，多个传感单元；N个中心节点分为一个主节点和N‑1个备份节点；单个子节点连接位置相邻的传感单元，子节点之间互为中继接收主节点的同步数据包并回传测量数据。采用冗余中心节点的分层网络架构与分时中继的转发策略，实现了无线传感数据的实时可靠传输，相比星型网络架构下的单点传输模式，在满足严格时间同步的基础上，构建了双向数据传输的备份通道。基于分级休眠理念，设计了具备三档休眠切换与快速唤醒的低功耗传感机制，相比现有单一休眠模式设计，在保障传输数据完整性的前提下，实现了无线传感功耗的精确控制。

Description

一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络及方法

技术领域

本发明属于无线传感技术领域，涉及一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络及方法。

背景技术

面向飞行器领域日益增长的数据采集需求，规避了复杂线缆布局的无线传感技术应运而生，通过建立无线传感网络实现分布式节点的数据汇总，但这也对数据传输的实时性、可靠性提出了更高的要求，同时传感网络必须尽可能地减少节点能量消耗。

现有的飞行器无线传感网络以单一中心节点的星型网络架构为主，各子节点按照时分复用协议单独与中心节点通信，任意链路的失效都会造成数据丢失，网络健壮性较差。在功耗控制方面，已有无线传感节点可实现工作模式与休眠模式的直接切换，但容易导致休眠模式的误触发且难以实时唤醒。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络及方法，解决了网络健壮性差的问题，在保证节点快速唤醒与避免误休眠的前提下，降低节点功耗。

本发明解决技术的方案是：一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，包括N个中心节点、M个子节点、L个传感单元，N≥1，M≥1，L≥1；

N个中心节点，其中一个中心节点为主节点，另外的中心节点作为备份节点；主节点管理全部子节点，一个子节点连接位置相邻的S个传感单元；采集相同类型物理量的传感单元及其连接的子节点，共同归属同一个底层网络，S≥1；

主节点，接收数据采集指令后，按照无线同步周期T向子节点发送同步数据包；接收各子节点在当前T周期内的有效采集数据，将在当前T周期内接收到的来自每个子节点的第一包有效采集数据打包输出；

子节点，在实时工作模式下，接收同步数据包进行时间同步，并将同步数据包进行转发至同一个底层网络的其他子节点；将本子节点连接的传感单元采集的传感数据与同一个底层网络的其他子节点共享，将接收到的其他子节点共享的传感数据以及与本子节点连接的传感单元采集的传感数据都转发给主节点；

传感单元，采集并向子节点发送传感数据。

进一步的，主节点与子节点之间采用时分复用的方法通信。

进一步的，所述同步数据包的格式包括包计数器，包计数器从第一个同步数据包发送时开始计数，按照无线同步周期依次递增，子节点根据包计数器的计数值修正本地时间计数，实现时间同步。

进一步的，所述同步数据包的格式还包括：同步识别帧头、数据源头段、同步识别帧尾；其中，数据源头段表征同步数据包的发送节点，默认为主节点；同步识别帧头与同步识别帧尾为子节点预知的识别字段，用于辨认同步数据包。

进一步的，主节点实时进行故障检测，当主节点发生故障但仍能发送同步数据包时，主节点则向备份节点发送同步数据包，备份节点接收同步数据包后，向主节点反馈同步数据包收到信号，并将包计数器的计数值赋予备份节点的本地计数器，完成时间同步，距离最近的备份节点切换为主节点，主节点接收同步数据包收到信号后自动关闭。

进一步的，主节点实时进行故障检测，当主节点发生故障且无法发送同步数据包时，备份节点在多个无线同步周期T未检测到主节点的同步数据包后，距离最近的备份节点接管测量网络控制权，并向主节点反馈已切换信号，主节点接收已切换信号后自动关闭。

进一步的，所述各子节点之间采用分时中继的方式对同步数据包进行转发；

其中，经过转发的同步数据包的格式，包计数器不增加，数据源头段替换为进行中继转发的子节点。

进一步的，子节点还具有休眠模式，其中，休眠模式分为预休眠模式、间歇休眠模式与深度休眠模式；

所述预休眠模式下，子节点仍保留分时中继的转发与采集数据的无线发送功能，并实时监测是否收到同步数据包；所述间歇休眠模式下，停止采集数据的无线发送；所述深度休眠模式下，仅保持最低功耗的设备运转需求。

进一步的，子节点各个模式间的切换流程具体包括：

分布式测量网络建立之初，子节点处于深度休眠模式，按照X₁秒一次的最长周期进行同步数据包的监听；对每X₁秒一次的监听设置时间为1.5T的唤醒监测段，所述是唤醒检测段为监听同步数据包的时间段；如果在此段时间内子节点监听到两包及以上包计数器不同的同步数据包，则切换至实时工作模式；否则，继续进行唤醒监测；

进入实时工作模式后，子节点若在一个无线同步周期T内未检测到同步数据包，则进入预休眠模式；

子节点的预休眠状态最多持续Y个无线同步周期T，如果连续Y个无线同步周期T未收到同步数据包，则切换为间歇性休眠模式；否则，子节点恢复实时工作模式；

若进入间歇性休眠模式，首先保持Z个无线同步周期T的唤醒监测状态，若Z个无线同步周期T内均未收到同步数据包，之后按照X₂秒的间隔开展唤醒状态监测；如果在Z个无线同步周期T内收到同步数据包，子节点恢复实时工作模式；X₁>X₂>10，Z>Y>1；

若间歇休眠模式持续Qmin后仍未识别到同步数据包，子节点切换为深度休眠模式，同步数据包检测间隔提升到X₁秒；Q>1。

进一步的，提供一种适用于飞行器的无线传感方法，包括以下流程：

主节点接收到采集指令，在一个无线同步周期T内，发送同步数据包；

子节点接收到同步数据包，并按照预设顺序中继发送同步数据包；

子节点接收同步数据包后采集传感单元的传感数据，若当前周期内子节点接收的相邻两个同步数据包的包计数器一致，则不再重复进行采集；

子节点回传采集数据，并接收其他子节点的采集数据；若子节点接收到了同一个底层网络内其他子节点的采集数据，则进行中继转发；

下一无线同步周期T前，主节点接收各子节点在当前T周期内的有效采集数据，将在当前T周期内接收到的来自每个子节点的第一包有效采集数据打包输出。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明在网络结构层面，冗余中心切换策略既能保持无线传感网络的有效控制，又能够避免控制权竞争带来的不确定性，分层网络结构易于实现节点规模的拓展；相比星型网络架构下的单点传输模式，在满足严格时间同步的基础上，构建了双向数据传输的备份通道。

(2)本发明面对飞行器内部的复杂电磁环境，无线传感网络基于分时中继策略实现严格的时间同步，并通过底层网络内的子节点中继转发，进一步提升了传感单元采集数据的实时性与可达性。

(3)本发明针对低功耗设计需求，提出了三级休眠与快速唤醒机制，在保证节点快速唤醒与避免误休眠的前提下，实现了节点功耗的精确控制。

附图说明

图1为本发明实施例无线传感网络构成示意图；

图2为本发明实施例冗余工作逻辑流程图；

图3为本发明实施例同步数据包分时中继示意图；

图4为本发明实施例采集数据中继转发示意图；

图5为本发明实施例子节点分级休眠流程；

图6为本发明实施例无线传感网络工作的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

本发明实施例设计的分布式测量网络结构如图1所示。本实施例中，无线传感网络采用冗余中心的分层网络架构，在星型结构的顶层网络中，两个中心节点共同作为整个传感网络的核心，负责整个测量网络的组网与信息汇总，并最终向外部设备输出。采集相同类型物理量的传感单元及其连接的子节点，共同归属同一个底层网络，整个测量网络可以包含多个底层网络，在同一个底层网络内，子节点之间互为中继接收中心节点的同步数据包并回传采集的传感数据。

具体来说，两个功能独立的中心节点，同时只有一个中心节点处于工作状态。

作为优选，默认其中一个中心节点为主节点，另外的中心节点作为备份节点；在主节点发生故障时，备份节点通过无线链路或者外部设备的有线链路监听主节点同步数据包，按照双冗余判断流程，备份节点切换为新的主节点。

两个中心节点均通过有线链路与外部设备连接，通过无线链路与多个底层网络的子节点实现通信。主节点从外部设备接收数据采集指令后，按照无线同步周期T(T为毫秒级)向子节点发送同步数据包，供子节点进行时间同步与采集数据回传。主节点接收各子节点在当前T周期内的有效采集数据，打包上传到外部设备。

同一底层网络中的子节点之间通过无线链路实现通信，每个子节点接收同步数据包并根据同步数据包内的时间修正本地时间来完成同步；每个子节点采用有线方式连接位置相邻的传感单元，在时间同步的基础上，各无线子节点采用分时中继的方式对同步数据包进行转发，即各无线子节点按照一定的时间顺序分时占用射频信道，每个周期T内只有一个子节点向其他子节点转发同步数据包。

子节点发送的采集数据既直接发送到主节点，也被同一底层网络中的其他子节点接收延时后转发给主节点。

传感单元用于采集并向与之连接的子节点发送传感数据。

为了确保分布式测量的数据稳定，避免网络控制权竞争带来的不确定性，两个功能独立的中心节点采用了主备份冗余设计，同一时刻只有主节点处于工作模式。无线测量网络控制权的接管采用双冗余判断流程，如图2所示。

假设当前的主节点为中心节点1，中心节点1实时进行故障检测，当中心节点1发生故障但仍能通过外部有线链路发送同步数据包时，中心节点1则通过外部有线链路向中心节点2发送同步数据包，中心节点2接收同步数据包后，向中心节点1反馈同步数据包收到信号，按照同步数据包中的包计数器进行中心节点2的时间同步，具体方式为：中心节点2具备本地计数器，并按照无线同步周期递增，当接收到中心节点1发送的同步数据包后，将其中的包计数器的计数值赋予本地计数器，完成时间同步。中心节点2随即切换为主节点，中心节点1接收同步数据包收到信号后自动关闭。

若中心节点1发生故障且无法通过外部有线链路发同步数据包时，中心节点2监测外部设备信息，如果多个周期未检测到中心节点1的同步数据包且接收到采集指令后，随即接管无线测量网络控制权，并向中心节点1反馈已切换信号，中心节点1接收已切换信号后自动关闭。

基于通用化的数据测量需求，分布式测量网络中的子节点数量可以扩展，单个子节点也可以支持多种类型传感单元的数据采编，实现在统一的系统架构下对飞行器不同任务、不同范围灵活组态的目标。

在分布式测量网络中，各无线节点通过严格时间同步的时分复用方法通信。其时间同步采用心跳脉冲法，即主节点以周期T定时往复地对外发送同步数据包，子节点接收同步数据包并根据同步数据包中的包计数器计数值调整本地计数器，以实现时间同步。在时间同步的基础上，各无线子节点按照一定的时序分时占用射频信道，最终实现时分复用。

中心节点的同步数据包格式如表1所示：

表1同步数据包格式

在表1中，主节点的包计数器从第一个同步数据包发送时开始计数，按照无线同步周期依次递增，子节点可根据包计数器修正本地时间计数，具体的修正方式为：子节点自身也具备本地计数器，并按照无线同步周期递增。当接收到同步数据包后，若其中的包计数器计数值与本地计数器不同时，将包计数器的计数值赋予本地计数器，完成时间同步。数据源头段表征同步数据包的发送节点，默认为主节点。同步识别帧头与同步识别帧尾为子节点预知的识别字段，用以辨认同步数据包。

为确保中心节点同步数据包的可达性，分布式测量网络中的子节点采用分时中继的方式对同步数据包进行转发。按照既定的顺序，子节点依次转发同步数据包信号，此过程往复进行，但一个无线同步周期内，同一底层网络中只有一个子节点对同步数据包进行中继，具体实现方式为：假设该底层网络的各子节点编号为1～M，根据同步数据包中的包计数器当前计数值除以子节点总数M，得到余数m，节点编号与该余数相同的子节点在当前无线同步周期中开启中继。分时中继过程如图3所示。

经过转发的同步数据包格式中，包计数器不增加，但数据源头段会替换为进行中继转发的子节点。因此，一个无线同步周期内，子节点最多收到两次同步数据包，判断相邻两个无线同步包的包计数器是否一致，若一致则开启传感单元的数据采集。

由于子节点分时中继功能的存在，主节点与任意子节点间的单向同步数据包失稳，不会造成子节点的同步失锁或误入休眠模式。采用该方法对主节点发送的无线同步数据包进行中继，既保证了在多遮挡、密闭空间的数据同步实时性，相较于全节点中继模式又减少了射频发送功耗，同时又兼顾了分布式测量网络的同步可靠性和低功耗需求。

除前向同步数据包中继之外，同一个底层网络中的子节点之间，也会对无线采集数据进行分时中继传输，数据流向如图4所示。以两个子节点构成的底层网络为例，在一个无线同步周期内，子节点1_1发送的无线数据既直接发送到中心节点，也被子节点1_2接收延时后中继转发，子节点1_2同样如此。采用配对节点互为中继的方式为节点无线数据的发送提供了冗余的传输路径。

对于主节点而言，在每个无线同步周期开始时刻广播发送同步数据包，其他时刻开启监听模式，用来监听子节点的回传数据。当主节点接收到各子节点在当前T周期内的有效采集数据后打包输出，其中，如果在当前T周期内接收到了多包来自同一个子节点的有效采集数据，仅将第一包数据打包输出到外部设备。

在飞行器分布式测量网络中，中心节点与外部设备有线连接解决了供电需求，各子节点均采用自身电池供电，必须尽可能减少电量消耗。

子节点具有实时工作模式和休眠模式，在实时工作模式下，单个子节点负责同步数据包的接收与采集数据的发送，功率在毫瓦量级。当子节点仅处于同步数据包监听的休眠状态时，功耗则可以降低到微瓦级别。因此，根据飞行器实际工作需求，对子节点在非采集状态下设置多档位休眠状态，并保证休眠、工作模式的精准切换，成为分布式测量网络低功耗传输技术的关键。

本发明将无线传感网络的休眠模式分为三级，分别是预休眠模式、间歇休眠模式与深度休眠模式，采取不同的同步数据包监听策略与采集数据传输模式，其分级休眠工作流程如图5所示。

在分布式测量网络建立之初，无线传感网络子节点处于深度休眠模式，按照70s一次的最长周期进行同步数据包的监听；在子节点的唤醒流程中，对每70s一次的监听设置时间为1.5倍无线同步周期的唤醒监测段，所述是唤醒检测段为监听同步数据包的时间段；如果在此段时间内子节点监听到两包及以上包计数器不同的同步数据包，则表示主节点稳定工作并切换至实时工作模式；否则，继续进行唤醒监听。

进入实时工作模式后，处于工作状态的子节点若在一个无线同步周期T内未检测到同步数据包，则进入预休眠模式。预休眠模式下，子节点仍保留分时中继的转发与采集数据的无线发送功能，并实时监测是否收到同步数据包。预休眠模式的设置可避免脉冲干扰导致某个同步数据包失效导致的误休眠动作，对分布式测量网络的实时性无影响。

子节点的预休眠状态最多持续5个无线同步周期，如果在连续5个无线同步周期未收到同步数据包，则切换为间歇性休眠模式；否则，子节点恢复实时工作模式。在进入间歇性休眠模式后，首先保持20个无线同步周期的唤醒监测状态，如果在20个无线同步周期内均未收到同步数据包，之后按照10s的间隔开展唤醒状态监测；如果在20个无线同步周期内收到同步数据包，子节点恢复实时工作模式。有别于预休眠模式，间歇休眠模式不再进行采集数据的无线发送。

在最长为5min的间歇休眠模式结束后，若仍未识别到同步数据包，子节点切换为深度休眠模式，同步检测间隔提升到70s，以保持最低功耗的设备运转需求。

图6为利用本发明所述无线传感网络的方法流程图，包括以下流程：

主节点接收到外部设备的采集指令，在一个周期T内，发送同步数据包，并实时监听子节点的回传数据；

子节点接收到同步数据包，并按照预设顺序中继发送同步数据包；

子节点接收同步数据包后开启传感单元的数据采集，若当前周期内子节点接收的相邻两个同步数据包的包计数器一致，则不再重复进行采集；

子节点回传采集数据，并接收其他子节点的采集数据；若子节点接收到了同一个底层网络内其他子节点的采集数据，则进行中继转发；

下一无线同步周期T前，主节点接收各子节点在当前T周期内的有效采集数据并打包输出，如果在当前T周期内接收到了多包来自同一个子节点的有效采集数据，仅将第一包数据打包输出。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，其特征在于，包括N个中心节点、M个子节点、L个传感单元，N≥1，M≥1，L≥1；

N个中心节点，其中一个中心节点为主节点，另外的中心节点作为备份节点；主节点管理全部子节点，一个子节点连接位置相邻的S个传感单元；采集相同类型物理量的传感单元及其连接的子节点，共同归属同一个底层网络，S≥1；

主节点，接收数据采集指令后，按照无线同步周期T向子节点发送同步数据包；接收各子节点在当前T周期内的有效采集数据，将在当前T周期内接收到的来自每个子节点的第一包有效采集数据打包输出；

子节点，在实时工作模式下，接收同步数据包进行时间同步，并将同步数据包进行转发至同一个底层网络的其他子节点；将本子节点连接的传感单元采集的传感数据与同一个底层网络的其他子节点共享，将接收到的其他子节点共享的传感数据以及与本子节点连接的传感单元采集的传感数据都转发给主节点；

传感单元，采集并向子节点发送传感数据。

2.根据权利要求1所述的一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，其特征在于，主节点与子节点之间采用时分复用的方法通信。

3.根据权利要求2所述的一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，其特征在于，所述同步数据包的格式包括包计数器，包计数器从第一个同步数据包发送时开始计数，按照无线同步周期依次递增，子节点根据包计数器的计数值修正本地时间计数，实现时间同步。

4.根据权利要求3所述的一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，其特征在于，所述同步数据包的格式还包括：同步识别帧头、数据源头段、同步识别帧尾；其中，数据源头段表征同步数据包的发送节点，默认为主节点；同步识别帧头与同步识别帧尾为子节点预知的识别字段，用于辨认同步数据包。

5.根据权利要求3所述的一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，其特征在于，主节点实时进行故障检测，当主节点发生故障但仍能发送同步数据包时，主节点则向备份节点发送同步数据包，备份节点接收同步数据包后，向主节点反馈同步数据包收到信号，并将包计数器的计数值赋予备份节点的本地计数器，完成时间同步，距离最近的备份节点切换为主节点，主节点接收同步数据包收到信号后自动关闭。

6.根据权利要求5所述的一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，其特征在于，主节点实时进行故障检测，当主节点发生故障且无法发送同步数据包时，备份节点在多个无线同步周期T未检测到主节点的同步数据包后，距离最近的备份节点接管测量网络控制权，并向主节点反馈已切换信号，主节点接收已切换信号后自动关闭。

7.根据权利要求3所述的一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，其特征在于，所述各子节点之间采用分时中继的方式对同步数据包进行转发；

其中，经过转发的同步数据包的格式，包计数器不增加，数据源头段替换为进行中继转发的子节点。

8.根据权利要求7所述的一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，其特征在于，子节点还具有休眠模式，其中，休眠模式分为预休眠模式、间歇休眠模式与深度休眠模式；

所述预休眠模式下，子节点仍保留分时中继的转发与采集数据的无线发送功能，并实时监测是否收到同步数据包；所述间歇休眠模式下，停止采集数据的无线发送；所述深度休眠模式下，仅保持最低功耗的设备运转需求。

9.根据权利要求8所述的一种适用于飞行器的分布式无线传感测量网络，其特征在于，子节点各个模式间的切换流程具体包括：

分布式测量网络建立之初，子节点处于深度休眠模式，按照X₁秒一次的最长周期进行同步数据包的监听；对每X₁秒一次的监听设置时间为1.5T的唤醒监测段，所述是唤醒检测段为监听同步数据包的时间段；如果在此段时间内子节点监听到两包及以上包计数器不同的同步数据包，则切换至实时工作模式；否则，继续进行唤醒监测；

进入实时工作模式后，子节点若在一个无线同步周期T内未检测到同步数据包，则进入预休眠模式；

子节点的预休眠状态最多持续Y个无线同步周期T，如果连续Y个无线同步周期T未收到同步数据包，则切换为间歇性休眠模式；否则，子节点恢复实时工作模式；

若进入间歇性休眠模式，首先保持Z个无线同步周期T的唤醒监测状态，若Z个无线同步周期T内均未收到同步数据包，之后按照X₂秒的间隔开展唤醒状态监测；如果在Z个无线同步周期T内收到同步数据包，子节点恢复实时工作模式；X₁>X₂>10，Z>Y>1；

若间歇休眠模式持续Qmin后仍未识别到同步数据包，子节点切换为深度休眠模式，同步数据包检测间隔提升到X₁秒；Q>1。

10.基于权利要求9，一种适用于飞行器的无线传感方法，其特征在于，包括以下流程：

主节点接收到采集指令，在一个无线同步周期T内，发送同步数据包；

子节点接收到同步数据包，并按照预设顺序中继发送同步数据包；

子节点接收同步数据包后采集传感单元的传感数据，若当前周期内子节点接收的相邻两个同步数据包的包计数器一致，则不再重复进行采集；

子节点回传采集数据，并接收其他子节点的采集数据；若子节点接收到了同一个底层网络内其他子节点的采集数据，则进行中继转发；

下一无线同步周期T前，主节点接收各子节点在当前T周期内的有效采集数据，将在当前T周期内接收到的来自每个子节点的第一包有效采集数据打包输出。