CN202080430U - 一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统。该系统由艇控计算机、网络协调器、执行机构控制器、压力检测器组成。艇控计算机通过RS485与网络协调器通信，网络协调器、执行机构控制器、压力检测器都包含ZigBee无线通信模块（选用的ZigBee芯片内部集成了一个增强型8051处理器内核），形成一个基于ZigBee通信技术的无线传感控制网络。压力检测器把测量的囊体压力通过无线传感网络上报给艇控计算机，由艇控计算机完成数据的处理，向执行机构控制器发出控制命令控制执行机构（如风机、阀门等），实现对飞艇囊体压力的无线控制。相对有线方式飞艇囊体压力控制系统，本实用新型重量轻、系统扩展容易、维护检修方便。

Description

一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统

技术领域

本实用新型属于航空控制技术领域，具体涉及一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统。

背景技术

飞艇是一种靠气囊中装有轻质气体（一般为氦气）产生的浮力升空，可控制飞行轨迹的飞行器，尤其是近些年来出现的大型飞艇，飞艇体积巨大，并且有多个气囊，飞行高度高，在通信、遥感、预警探测等领域有着广阔的应用前景和发展潜力。压力控制系统主要完成对飞艇的各个气囊压力状态的检测与控制任务，根据检测的气囊压力控制执行机构（如风机、阀门等）完成飞艇副气囊进行充放气操作，从而实时调节主气囊的压力，使之维持在要求的范围内，使飞艇能够保持一定的气动外形，维持需要的刚度，应对环境中气流和温度的变化带来的气囊压力变化。

大型飞艇有多个气囊，每个气囊都有压力检测器和压力控制执行结构，用以控制囊体压力。传统的压力控制方案是采用总线方式，虽然这一方式具有通信可靠性高的优点，但需要在飞艇上布设大量导线，增加了飞艇的自身重量，浪费了飞艇的有限载荷，并且在系统扩展上有较大困难，设备维护、检修也很不方便。

近年来无线传感网络发展迅猛，主流协议主要有Bluetooth、ZigBee、UWB和Wi-Fi等，其中ZigBee技术具有低功耗、低成本、网络容量大、时延短、数据传输安全可靠等优点，在小范围、短距离通信领域具有不可替代的优势。应用基于ZigBee技术的无线传感网络进行飞艇囊体压力控制，只需要一根电源线绕艇一周，所有的执行机构控制器和压力检测器都并联在电源线上，节省了大量的导线，减轻了飞艇自身重量。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服有线方式飞艇囊体压力控制系统重量大，系统扩展困难，设备维护、检修不易的缺点；本实用新型提供了一种基于无线传感网络的压力控制系统，可以有效解决大型飞艇多囊体压力统一控制的问题。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统， 它由艇控计算机1、网络协调器2、执行机构控制器3、压力检测器4组成；艇控计算机1 通过串行通讯接口RS485与网络协调器2相连，网络协调器2、执行机构控制器3、压力检测器4都包含有ZigBee无线通信模块5，形成一个基于ZigBee通信技术的树型无线传感网络，部分执行机构控制器(3)和压力检测器(4)可以作为路由器；

网络协调器2由ZigBee无线通信模块5、串口通信模块10组成；网络协调器2通过串口通信模块10和艇控计算机1串行通信连接。

执行机构控制器3由ZigBee无线通信模块5、执行机构驱动电路6、执行机构加热驱动电路7、温度测量电路8、温度传感器9组成；每个执行机构控制器3控制一个执行机构12，并测量执行机构12的温度，需要时给执行机构12加热，使执行机构12的温度维持在正常工作范围内。

压力检测器4由ZigBee无线通信模块5、串口通信模块10、压力传感器11组成；压力检测器4把检测到的压力信息实时发送给艇控计算机1。

ZigBee无线通信模块5包括集成有增强型8051处理器内核的射频芯片CC2430、射频放大器CC2591、2.4GHz专用天馈系统；其运行ZigBee协议组建一个树型无线传感网络，进行数据与命令的传输。

树型无线传感网络由网络协调器、路由器、终端设备构成，支持数据的多跳传输，在部分节点失效或路由不畅时，可以自动寻找路由重新组建网络。

本实用新型提供的基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统，有艇控计算机、网络协调器、执行机构控制器、压力检测器组成。艇控计算机完成压力数据的处理、发出执行机构控制指令、进行自控参数的设置等功能，通过串口RS485与网络协调器通信，接收压力检测器测量的囊体压力，发出执行机构控制命令。网络协调器、执行机构控制器、压力检测器都包含有ZigBee无线通信模块（选用的ZigBee芯片内部集成了一个增强型8051处理器内核），形成一个基于ZigBee通信技术的无线传感控制网络，执行机构控制器和压力检测器都作为无线传感网络节点。网络协调器负责建立和管理整个无线传感网络，执行机构控制器接收控制命令控制执行机构，压力检测器测量飞艇囊体压力并上报，部分执行机构控制器和压力检测器具有路由器的功能，可以作为信息和指令传输中继节点。各部分说明如下：

艇控计算机：其核心部件是一个嵌入式计算机，通过串行通讯接口RS485与网络协调器双向通信。在压力控制系统中的作用主要是接收囊体压力信息，进行数据的处理和自控参数的设置，发出执行机构控制指令，把囊体压力控制在设定的范围内。

网络协调器：该系统只有一个网络协调器，网络协调器由ZigBee无线通信模块、串口通信模块组成。首先，网络协调器负责建立和管理无线传感网络，每一个加入网络的执行机构控制器或压力检测器都作为一个节点，网络协调器给网络内的每个节点分配一个地址，并使用网络表记录每个节点的地址，网络内的地址是唯一的，发送的消息包含有节点的地址信息，网络协调器就是以地址信息来区分不同的节点发送的消息。其次，网络协调器接收压力检测器发送的囊体压力信息，并通过串口转发给艇控计算机；通过串口接收艇控计算机发送的控制指令，并发送给指定的执行机构控制器。

执行机构控制器：每个执行机构控制器控制一个执行机构（如风机、阀门等），并具有测量执行机构温度，需要时给执行机构加热的功能，防止执行机构（如阀门）结冰不能打开。

该节点由ZigBee无线通信模块、执行机构驱动电路、执行机构加热驱动电路、温度测量电路、温度传感器组成，主要完成三项任务，第一，无线接收执行机构控制指令，并依据指令控制执行机构，进行充/放气操作；第二，无线接收加热参数设置指令，根据指令设定加热参数；第三，测量执行机构的温度，根据设定的加热参数与测量的温度决定是否给执行机构加热，避免执行机构的温度超出正常范围而不能正常工作。

压力检测器：每个气囊布设一个压力检测器，实时检测压力信息，并传递给艇控计算机。

该节点由ZigBee无线通信模块、压力传感器、串口通信电路组成。压力传感器把测得的压力信息传递给处理器内核，处理器对压力数据进行处理后，实时通过无线传感网络发送给艇控计算机。

具有路由功能的节点：距离网络协调器比较近的节点具有路由功能，作为距离网络协调器远的节点传递信息、指令的中继节点，该无线传感网络具有自动寻找路由功能，既扩展了网络的通信距离，又保证了整个系统工作的稳定性。

具有路由功能的节点在硬件结构上比执行机构控制器或压力检测器多一个存储器，存储接收的压力信息和控制指令并转发给目的节点。

本实用新型有益的积极效果是：

本实用新型采用无线传感网络的控制方式，具备无线通信控制系统的诸多优点，无须布设数据传输导线，各个设备之间自动实现无线组网连接，既可以显著减轻系统自身的重量，又避免了有线传输可能遇到的布线困难等问题，大大缩短了设备安装时间，降低了系统维护、检修成本。

另外，本系统采用基于ZigBee技术的无线传感网络方式进行数据传输，更是具备了一些普通无线控制方式所没有的优点。

体积小、重量轻、集成度高：ZigBee无线通信模块选用了TI公司推出的CC2430，CC2430时一款针对IEEE802.15.4/ZigBee应用的片上系统(SoC)。在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和一个增强型8051微处理器内核，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器、AES128协同处理器等。集成度非常高，只需要很少的外围电路即可工作，既减小了通信模块的体积，有提高了设备工作的可靠性，整个ZigBee无线通信模块重量不超过50克。

抗干扰能力强、可靠性高：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，使用了AES-128加密算法，物理层采用DSSS（直接序列扩频）技术，抗干扰能力强，屏蔽性能好。ZigBee通信采用了CSMA/CD（载波监听多点接入/冲突检测）防碰撞技术，避免了发送数据时的竞争和冲突，提高了系统传输信息的可靠性。

响应速度快：通常时延在10毫秒到20毫秒之间，有利于实时通信。

功耗低：低功耗是ZigBee的支持者为之骄傲的重点所在，是无线传感网络的主要优点之一，无线收发数据的瞬间电流只有几十毫安。

附图说明

图1 本实用新型压力控制系统框架结构示意图。

图2 本实用新型网络协调器结构框图。

图3 本实用新型ZigBee无线通信模块电路原理图。

图4本实用新型执行机构控制器驱动电路原理图。

图5本实用新型温度测量模块电路原理图。

图6本实用新型网络拓扑结构示意图。

图7 本实用新型ZigBee无线通信模块工作流程图。

图8本实用新型压力控制系统信号传输流向图。

图9本实用新型温度控制信号流向图。

图中标号1 艇控计算机，2 网络协调器，3 执行机构控制器，4 压力检测器，5 ZigBee无线通信模块，6 执行机构驱动电路，7执行机构加热驱动电路，8温度测量电路， 9 温度传感器，10 串口通信模块，11 压力传感器，12 执行机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实用新型基于无线传感网络的压力控制系统，由压力检测器、执行机构控制器、网络协调器、艇控计算机组成；网络协调器、执行机构控制器、压力检测器形成一个基于ZigBee通信技术的无线传感控制网络。压力检测器包括ZigBee无线通信模块、串口通信模块、压力传感器，压力传感器实时采集囊体压力并通过串口通信模块发送给ZigBee无线通信模块，ZigBee模块通过网络自动路由把压力数据发送给网络协调器，最后，网络协调器通过RS485把压力数据上报给艇控计算机。艇控计算机完成数据处理后向网络协调器发送控制指令，网络协调器通过网络自动路由把控制指令发送给执行机构控制器的ZigBee无线通信模块。

执行机构控制器由ZigBee无线通信模块、执行机构驱动电路、执行机构加热驱动电路、温度测量电路、温度传感器组成，ZigBee无线通信模块根据接收的控制指令发出执行机构控制信号，执行机构驱动电路对控制信号功率放大后实施对执行机构的控制，实现对囊体压力的实时控制。温度传感器实时测量执行机构的温度，温度测量电路对温度信号进行初步处理后发送给ZigBee无线通信模块，ZigBee无线通信模块完成温度数据处理后发出执行机构加热控制信号，控制信号经过执行机构加热驱动电路对信号进行功率放大后控制执行机构的加热设备。

图3是ZigBee无线通信模块的电路原理图，ZigBee无线通信模块包括集成有增强型8051处理器内核的射频芯片CC2430、射频放大器CC2591、2.4GHz专用天馈系统。CC2430是TI公司推出的针对IEEE802.15.4/ZigBee应用的系统芯片（SoC），在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、工业标准增强型8051MCU内核、128KB Flash ROM和8KB RAM、模数转换器(ADC)、AES128协同处理器等，CC2430在该系统中既作为射频收发器，又作为分布式处理器。CC2591是TI推出的一款针对2.4GHz频段应用的功放芯片，其内部包含一个功率放大器用以放大输出功率和一个低噪声放大器用以提高接收灵敏度。2.4GHz天馈系统包括天线和阻抗匹配电路，阻抗匹配电路由电容、电阻和电感组成，提供精确的50ohm阻抗匹配，满足ZigBee无线通信模块在2.4GHz频率下的射频通信的需求。

图4是执行机构控制器驱动电路原理图，驱动电路主要由驱动芯片MAX4427ESA、场效应管IRF7380和双刀双掷继电器K1组成。CC2430的P0_6管脚控制执行机构，使用驱动芯片MAX4427ESA把CC2430管脚输出电压放大至15V，然后通过场效应管IRF7380和双刀双掷继电器K1控制执行机构的运行与停止。P0_6输出高电平执行机构开始运行，输出低电平执行机构停止运行。

图5是温度测量模块电路原理图，温度测量电路主要由铂电阻PT1000、桥式电路、两级放大电路TLV2254组成。铂电阻PT1000的阻值随温度变化而变化，一级放大电路把桥式电路输出的温度电压放大13倍后输入二级放大电路，二级放大电路起电压跟随作用，把温度电压输入CC2430的模数转换器(ADC)，模数转换后送入8051处理器内核，经过相应的数据处理得出采集的温度值。

图6、图7分别是无线传感网络拓扑结构示意图和ZigBee无线通信模块工作流程图。网络以ZigBee协议为基础，根据该压力控制系统网络特点对协议栈进行了精简修改。在网络中定义了三种设备：网络协调器、路由器、终端设备，网络协调器负责建立网络，并对网络进行管理和维护；路由器除具有压力检测器或者执行机构控制器的功能外，还可以转发数据，实现网络的多跳功能；终端设备指末端的压力检测器或者执行机构控制器，只能加入已经存在的网络，并且不能转发数据。该网络是树型结构，支持数据的多跳传输，并具有自动寻找路由、自组织网络功能，这种结构不仅能够扩展通信距离，还可以在部分节点失效或路由不畅时，自动寻找路由重新组建网络，增强整个网络工作的可靠性。

图8是压力控制系统信号传输流向图。压力传感器测量囊体压力，通过串口发送给压力检测器，压力检测器通过无线传感网络自动寻找路由向网络协调器发送压力数据，网络协调器将接收的压力数据通过串口传送给艇控计算机。艇控计算机完成数据处理后发出控制指令，网络协调器把接收的控制指令通过无线传感网络发往相应的执行机构控制器，执行机构控制器根据接收的控制指令对执行机构进行控制，然后等待接收执行机构的反馈信息，并把反馈信息以同样的路径发送给艇控计算机，实现压力控制系统的控制闭环。

图9是温度控制信号流向图，温度测量电路把采集的压力信号传入ZigBee无线通信模块，压力信号经过模数转换后被发送给处理器内核。处理器内核完成数据处理后发出加热控制命令，控制命令被加热驱动电路驱动后，执行对加热设备的控制，执行机构把加热命令执行结果反馈给处理器内核，完成执行机构加热的闭环控制。

本实用新型对于大型飞艇囊体压力控制有着重大意义，将无线传感网络作为通信手段，应用于飞艇囊体压力控制系统中，省去了大量导线，节省了飞艇的有效载荷，解决了布设导线不便的问题。该系统具有抗干扰能力强、可靠性高、相应速度快的特点，在大型飞艇上有一定的应用前景。

Claims (6)

1.一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统，其特征在于：它由艇控计算机(1)、网络协调器(2)、执行机构控制器(3)、压力检测器(4)组成；艇控计算机(1) 通过串行通讯接口RS485与网络协调器(2)相连，网络协调器(2)、执行机构控制器(3)、压力检测器(4)都包含有ZigBee无线通信模块(5)，形成一个基于ZigBee通信技术的树型无线传感网络，部分执行机构控制器(3)和压力检测器(4)可以作为路由器。

2.根据权利要求1所述一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统，其特征在于：网络协调器(2)由ZigBee无线通信模块(5)、串口通信模块(10)组成；网络协调器（2）通过串口通信模块（10）和艇控计算机（1）串行通信连接。

3.根据权利要求1所述一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统，其特征在于：执行机构控制器(3)由ZigBee无线通信模块(5)、执行机构驱动电路(6)、执行机构加热驱动电路(7)、温度测量电路(8)、温度传感器(9)组成；每个执行机构控制器(3)控制一个执行机构(12)，并测量执行机构(12)的温度，需要时给执行机构(12)加热，使执行机构(12)的温度维持在正常工作范围内。

4.根据权利要求1所述一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统，其特征在于：压力检测器(4)由ZigBee无线通信模块(5) 、串口通信模块(10)、压力传感器(11)组成；压力检测器(4)把检测到的压力信息实时发送给艇控计算机(1)。

5.根据权利要求1所述一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统，其特征在于：ZigBee无线通信模块(5)包括集成有增强型8051处理器内核的射频芯片CC2430、射频放大器CC2591、2.4GHz专用天馈系统；其运行ZigBee协议组建一个树型无线传感网络，进行数据与命令的传输。

6.根据权利要求1所述一种基于无线传感网络的飞艇囊体压力控制系统，其特征在于：树型无线传感网络由网络协调器、路由器、终端设备构成，支持数据的多跳传输，在部分节点失效或路由不畅时，可以自动寻找路由重新组建网络。

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