飞行器运行状态无线监测系统的制作方法
【专利摘要】飞行器运行状态无线监测系统，属于飞行器无线监测领域。解决了现有机载监测系统所存在的测试参数多、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的问题。它包括多个终端节点模块、主节点模块和PC机；多个终端节点模块分别固定在飞行器的各部位，用于检测飞行器的各部位的状态信息，并将检测到的状态信息通过无线传输的方式汇聚至主节点模块，主节点模块将已汇聚的状态信息送至PC机，PC机用于对接收的状态信息进行实时的显示，从而监测飞行器的运行状态。它主要用于对飞行器的状态进行监测。
【专利说明】
飞行器运行状态无线监测系统
技术领域
[0001]本发明属于飞行器无线监测领域。
【背景技术】
[0002]随着航空技术的不断发展，飞机性能不断提高，功能不断完善，飞机系统结构愈趋复杂、重载，飞机试飞科目日益增加，因此机载测试过程中传感器采集参数种类和数量成倍增加，对飞行状态监测系统的要求也在逐渐的提高。而且，传统的飞机试飞测试系统所采用的每个传感器均需连接到特定调理线路和调节器才能完成信号的处理和传输功能。当系统需要测量环境中多种影响因子的物理量时，针对于某一特定的信号的专用的传感器接口就无法满足多种类型状态信息的测量。同时随着测试参数量和通道数的增加，会引入大量的现场连线和附加重量，导致系统维护的麻烦和测试效率的低下；随着机载产品的集成化提高，给试验机留出加装测试传感器以及布线的空间十分有限，施工受到限制。
[0003]针对以上问题，本发明设计一种基于无线传输的机载状态监测的模块，解决现有机载监测系统所存在的测试参数多、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一系列问题。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决现有机载监测系统所存在的测试参数多、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的问题，本发明提供了一种飞行器运行状态无线监测系统。
[0005]飞行器运行状态无线监测系统，它包括多个终端节点模块、主节点模块和PC机；
[0006]多个终端节点模块分别固定在飞行器的各部位，用于检测飞行器的各部位的状态信息，并将检测到的状态信息通过无线传输的方式汇聚至主节点模块，主节点模块将已汇聚的状态信息送至PC机，PC机用于对接收的状态信息进行实时的显示，从而监测飞行器的运行状态。
[0007]所述的每个终端节点模块包括传感系统、信号调理电路、I号主控模块和I号无线传输模块；
[0008]传感系统用于检测飞行器的状态信息，并且该状态信息经过信号调理电路调理后送至I号主控模块，I号主控模块通过I号无线传输模块将接收的状态信息发送至主节点模块。
[0009]所述的主节点模块包括2号无线传输模块和2号主控模块；
[0010]2号主控模块通过2号无线传输模块同时与所有的I号无线传输模块进行数据传输，2号主控模块还用于控制所有的I号主控模块，从而控制所有的信号调理电路。
[0011]所述的传感系统包括姿态传感器、应变片、振动传感器、压力传感器和温度传感器；
[0012]姿态传感器用于检测飞行器的姿态信息，
[0013]应变片用于检测飞行器表面的应变差，
[0014]振动传感器用于检测飞行器的振动信息，
[0015]压力传感器用于检测飞行器的承压信息，
[0016]温度传感器用于检测飞行器的温度信息。
[0017]所述的信号调理电路包括可编程增益放大器和12位模数转换器；
[0018]所述的可编程增益放大器用于对接收的姿态信息进行放大，并送至12位模数转换器进行模数转换后，送至I号主控模块。
[0019]所述的所有的终端节点模块和主节点模块内均嵌入有Contiki操作系统，且所述的Cont i ki操作系统运行任务和处理事件的工作流程如下:
[0020]开始，依次执行时钟、串口初始化，进程初始化后，启动系统进程，然后启动用户自启动进程，并执行该进行，结束。
[0021 ] 所述的I号主控模块和2号主控模块采用MSP430F5438A型芯片实现。
[0022]所述的每个终端节点模块和主节点模块上均移植uIPv6协议，每个终端节点模块组建网络时，会分配一个唯一的IP地址，IP地址为1.0的节点为主节点，终端节点模块通过多跳和自组织的方式组成无线网络，所有采集到的数据均汇聚至主节点模块所在的主节点上。
[0023]所述的温度传感器采用热电偶或电阻式温度检测器实现。
[0024]所述的每个终端节点模块中I号主控模块对传感系统进行驱动的具体过程为:
[0025]首先，对信号调理电路进行初始化，传感系统感知状态信息，通过可编程增益放大器对接收的状态信息进行32级增益放大后，再通过12位模数转换器进行模数转换，将调理后的数据发送，最终传送到主节点模块，通过PC机进行显示。
[0026]1、将传感器挂接在终端传感器节点上，编写传感器驱动程序，包括数据采集、可增益放大、模数转换等功能实现；
[0027]2.完成硬件模块的软硬件配置，包括装置供电、Contiki系统移植、传感器信号采集驱动程序烧写、在每一个节点装置上移植uIPv6协议等；
[0028]3.为每一个终端节点分配IP地址，便于区分不同节点；
[0029]4.为了模拟飞机试飞环境，可将配置好的模块安装于车辆的不同位置，并上电工作，搭建基于无线传感器网络的分布式测量系统，对车辆运行过程中的状态数据进行监测。
[0030]5.将汇聚节点通过串口连接至PC机，通过PC端上位机对监测数据进行观察分析。
[0031]本发明带来的有益效果是，本发明实现了对飞机试飞过程中状态参数的采集与数据的无线传输。实现不同状态监测模块组网和数据传输，减少了现有检测系统引线复杂、附加重量、提高监测系统的灵活性、可扩充性和智能化程度。灵活性和智能化程度均提高了30%以上。本发明能够将分布在不同位置的状态监测模块的状态数据实现汇聚，并上传至PC机呈现和后续处理。
【附图说明】
[0032]图1为【具体实施方式】一所述的飞行器运行状态无线监测系统的原理示意图；
[0033]图2为【具体实施方式】三所述的主节点模块的内部原理示意图；
[0034]图3为【具体实施方式】四所述的传感系统的内部原理示意图；
[0035]图4为【具体实施方式】五所述的信号调理电路的内部原理示意图；
[0036]图5为Contiki操作系统运行任务和处理事件的工作流程图。
[0037]图6为I号主控模块对传感系统进行驱动的工作流程图。
【具体实施方式】
[0038]【具体实施方式】一:参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的飞行器运行状态无线监测系统，它包括多个终端节点模块1、主节点模块2和PC机3;
[0039]多个终端节点模块I分别固定在飞行器的各部位，用于检测飞行器的各部位的状态信息，并将检测到的状态信息通过无线传输的方式汇聚至主节点模块2，主节点模块2将已汇聚的状态信息送至PC机3，PC机3用于对接收的状态信息进行实时的显示，从而监测飞行器的运行状态。
[0040]本实施方式，将多个终端节点模块I部署在飞行器机身不同部位，构建基于无线传感器网络的分布式测试系统，通过不同类型传感器采集飞行器飞过程中的状态信息(温度、应力、压力、振动等)，无线传输的方式实现模块间组网，最终将测试数据汇聚至主节点模块2所在的主节点，并通过串口将状态数据上传到PC机，为飞机状态监测和故障诊断提供可靠的数据。
[0041]每个终端节点模块I所处的飞行器机身的位置为终端节点的位置，主节点模块2所处的飞行器机身的位置为主节点的位置。
[0042]本发明实现测试参数采集、汇聚及显示，利用LabVIEW编写上位机程序，实现主节点接收所有数据的显示、来源、数据长度、传输路径等信息的显示，从而实现PC机上观察所有数据状态的同时，能够判断异常数据发生的位置。
[0043]【具体实施方式】二:参见图1说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一所述的飞行器运行状态无线监测系统的区别在于，所述的每个终端节点模块I包括传感系统1-1、信号调理电路1-2、1号主控模块1-3和I号无线传输模块1-4;
[0044]传感系统1-1用于检测飞行器的状态信息，并且该状态信息经过信号调理电路1-2调理后送至I号主控模块1_3，1号主控模块1-3通过I号无线传输模块1-4将接收的状态信息发送至主节点模块2。
[0045]【具体实施方式】三:参见图2说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】二所述的飞行器运行状态无线监测系统的区别在于，所述的主节点模块2包括2号无线传输模块2-1和2号主控模块2-2;
[0046]2号主控模块2-2通过2号无线传输模块2-1同时与所有的I号无线传输模块1-4进行数据传输，2号主控模块2-2还用于控制所有的I号主控模块1-3，从而控制所有的信号调理电路1-2。
[0047]【具体实施方式】四:参见图3说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】二或三所述的飞行器运行状态无线监测系统的区别在于，所述的传感系统1-1包括姿态传感器1-1-
1、应变片1-1-2、振动传感器1-1-3、压力传感器1-1-4和温度传感器1-1-5;
[0048]姿态传感器1-1-1用于检测飞行器的姿态信息，
[0049]应变片1-1-2用于检测飞行器表面的应变差，
[0050]振动传感器1-1-3用于检测飞行器的振动信息，[0051 ] 压力传感器1-1-4用于检测飞行器的承压信息，
[0052]温度传感器1-1-5用于检测飞行器的温度信息。
[0053]本实施方式，将多个终端节点模块I部署在飞行器机身不同部位，构建基于无线传感器网络的分布式测试系统，通过不同类型传感器采集飞行器飞行过程中的状态信息(温度、应力、压力、振动等)，经传感器信号调理电路将信号转换为标准信号，并利用模块中无线传输单元实现模块间组网，最终将测试数据汇聚至主节点模块2所在的主节点，并通过串口将状态数据上传到PC机，为飞行器状态监测和故障诊断提供可靠的数据。
[0054]飞机的重要部件在系统状态发生变化或出现故障时，其振动、应力、压力、温度、姿态等信号携带着大量的状态信息，为测量这些状态信息，可分别选用IEPE加速度传感器、应变片、压力传感器、PT100铂热电阻或K型热电偶、MPU9255九轴加速度传感器作为信息采集端，采集飞机运行过程中的状态信息。
[0055]飞行器运行状态监测无线模块设计硬件平台主要由基于传感系统1-1、信号调理电路1-2、1号主控模块1-3和I号无线传输模块1-4组成。
[0056]当温度传感器1-1-5采用PT100铂热电阻或K型热电偶实现时，信号调理电路1-2可使用专用的热电阻数字输出转换器(支持2线、3线和4线RTD连接)MAX31865和热电偶数字输出转换器(支持8种热电偶连接，可自动线性度修正)MAX31856，能够简便、准确地测量温度。两种芯片可以分别调理热电阻、热电偶信号，使之直接输出温度数据。因此，利用这两种调理电路调理来自热电阻和热电偶的数据。
[0057]【具体实施方式】五:参见图4说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】二所述的飞行器运行状态无线监测系统的区别在于，所述的信号调理电路1-2包括可编程增益放大器1-2-1和12位模数转换器1-2-2;
[0058]所述的可编程增益放大器1-2-1用于对接收的姿态信息进行放大，并送至12位模数转换器1-2-2进行模数转换后，送至I号主控模块1-3。
[0059]【具体实施方式】六:参见图1和图5说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一所述的飞行器运行状态无线监测系统的区别在于，所述的所有的终端节点模块I和主节点模块2内均嵌入有Contiki操作系统，且所述的Contiki操作系统运行任务和处理事件的工作流程如下:
[0060]开始，依次执行时钟、串口初始化，进程初始化后，启动系统进程，然后启动用户自启动进程，并执行该进行，结束。
[0061]本实施方式，本飞行器运行状态监测无线模块设计主要利用无线传感器网络搭建一种分布式测量系统，实现不同位置模块间的组网与无线数据传输。本发明选用了瑞典计算机科学研究所为无线传感器网络节点开发的开源的Contiki操作系统来实现基于无线传感器网络的平台搭建。将Contiki官网中TI MSP430x和TI CC2520组成的wismote平台的官方例程下载至Contiki操作系统中，根据MSP430F5438A进行相应的编译配置，管脚定义，时钟配置等的修改，完成移植。然后在Contiki操作系统中实现硬件模块的软件设计和驱动程序的开发。
[0062]每添加一种新的传感器，需要在Contiki操作系统的硬件平台文件夹中添加相对应的驱动程序。本发明中选用五种传感器作为信息采集端，因此编写了5种传感器驱动程序，最后在Contiki进程中反复调用驱动程序，实现数据采集。
[0063](I)热电偶、热电阻驱动程序开发
[0064]电阻和热电偶通过均通过单芯片调理，由主控单元通过SPI总线进行控制。
[0065](2)应变片驱动程序开发
[0066]应变片驱动程序开发流程如图5所示，首先对调理电路中各芯片进行初始化，传感器感知状态信息，MAX1454是通过单引脚数字编程，通过控制D1引脚电平高低，控制其进行可配置的32级增益放大，通过SPI控制LTC2302进行模数转换，将调理后的数据发送，最终传送到主节点进行上位机显示。
[0067]【具体实施方式】七:参见图2说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】三所述的飞行器运行状态无线监测系统的区别在于，所述的I号主控模块1-3和2号主控模块2-2采用MSP430F5438A型芯片实现。
[0068]本实施方式中，I号主控模块1-3和2号主控模块2-2选用的是TI推出的功能强大的超低功耗微处理器MSP430F5438A，其接口丰富，具有高达87个普通I/O引脚。同时，它在低功耗方面表现出色，它具有非常低的供电电压，电压值在1.8V到3.6V之间，并且具有多种工作模式，在低功耗模式下最小电流可达0.1mA，使用在无线设备上优势明显。
[0069]I号无线传输模块1-4和2号无线传输模块2-1可采用CC2520射频芯片，CC2520工作频率为2.4GHz，是基于ZigBee/IEEE802.15.4协议标准的无线射频收发器，适用于工业监控与控制用途的无线传感器网络。通过SPI接口和6条信号线与控制器MSP430F5438A连接，完成设置和收发数据处理。
[0070]在本系统中，无线节点的功能为，在测试终端中，通过SPI或IIC等方式控制传感器调理电路并控制发送数据至主节点；主节点中，负责控制接收由测试终端传送的数据并通过串口发送至PC机或上位机进行显示。
[0071]所有的传感器信号调理芯片均可通过SP1、IIC或UART进行控制，控制功能由MSP430F5438A无线节点完成。
[0072]【具体实施方式】八:参见图1说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一或七所述的飞行器运行状态无线监测系统的区别在于，所述的每个终端节点模块I和主节点模块2上均移植uIPv6协议，每个终端节点模块I组建网络时，会分配一个唯一的IP地址，IP地址为1.0的节点为主节点，终端节点模块I通过多跳和自组织的方式组成无线网络，所有采集到的数据均汇聚至主节点模块2所在的主节点上。
[0073]本发明选择了Contiki操作系统作为嵌入式操作系统，更加适合物联网等资源受限环境，更加轻量，且具有高度可移植性和通用性。在软件上实现uIPv6协议在节点上的移植与应用，实现节点间组网与汇聚。节点上电后，依次进行系统时钟、UART、FLASH等模块的初始化。在此之后启动传感器数据采集进程和网络协议进程。当Contiki操作系统进入实际的任务处理过程中是，检查进程队列中是否有进程需要处理，若存在需要处理的进程，系统根据预设的调度执行进程，若没有任务需要处理，节点进入休眠状态，至系统定时器到期后，唤醒处理器。
[0074]无线传感器网络是由部署在飞机不同位置的状态监测节点组成，每个节点结构相同，在每一个节点装置上移植uIPv6协议，IPv6协议具有丰富的地址资源，安全性高，每一个节点装置组建网络时，会分配一个唯一的IP地址，即为每一个即将加入网络的节点配置一个地址。地址为1.0的节点为主节点，节点间通过多跳和自组织的方式组成无线网络，所有采集到的数据均汇聚至主节点。对于无线传感器网络内部通信，Contiki使用低功耗无线电网络栈Rime Aime实现了许多传感器网络协议，从可靠数据采集、最大努力网络洪泛到多跳批量数据传输、数据传播。因此利用本模块搭建的分布式测量系统不仅可以监测不同类型的状态参数，还可以通过每一个模块的IP地址来获取模块所处的位置，能够更准确的了解飞机试飞过程中不同位置的状态信息，增加了模块监测的状态数据的使用价值。
[0075]【具体实施方式】九:参见图1说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一所述的飞行器运行状态无线监测系统的区别在于，所述的温度传感器1-1-5采用热电偶或电阻式温度检测器实现。
[0076]【具体实施方式】十:参见图6说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】五所述的飞行器运行状态无线监测系统的区别在于，所述的每个终端节点模块I中I号主控模块1-3对传感系统1-1进行驱动的具体过程为:
[0077]首先，对信号调理电路1-2进行初始化，传感系统1-1感知状态信息，通过可编程增益放大器1-2-1对接收的状态信息进行32级增益放大后，再通过12位模数转换器1-2-2进行模数转换，将调理后的数据发送，最终传送到主节点模块2，通过PC机3进行显示。
【主权项】
1.飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，它包括多个终端节点模块(I)、主节点模块(2)和PC机(3); 多个终端节点模块(I)分别固定在飞行器的各部位，用于检测飞行器的各部位的状态信息，并将检测到的状态信息通过无线传输的方式汇聚至主节点模块(2)，主节点模块(2)将已汇聚的状态信息送至PC机(3)，PC机(3)用于对接收的状态信息进行实时的显示，从而监测飞行器的运行状态。2.根据权利要求1所述的飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，所述的每个终端节点模块(I)包括传感系统(1-1)、信号调理电路(1_2)、1号主控模块(1-3)和I号无线传输模块(1_4)； 传感系统(1-1)用于检测飞行器的状态信息，并且该状态信息经过信号调理电路(1-2)调理后送至I号主控模块(1-3)，1号主控模块(1-3)通过I号无线传输模块(1-4)将接收的状态信息发送至主节点模块(2)。3.根据权利要求2所述的飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，所述的主节点模块(2)包括2号无线传输模块(2-1)和2号主控模块(2-2); 2号主控模块(2-2)通过2号无线传输模块(2-1)同时与所有的I号无线传输模块(1-4)进行数据传输，2号主控模块(2-2)还用于控制所有的I号主控模块(1-3)，从而控制所有的?目号调理电路(1_2)。4.根据权利要求2或3所述的飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，所述的传感系统(1-1)包括姿态传感器(1-1-1)、应变片(1-1-2)、振动传感器(1-1-3)、压力传感器(1-1-4)和温度传感器(1-1-5); 姿态传感器(1-1-1)用于检测飞行器的姿态信息， 应变片(1-1-2)用于检测飞行器表面的应变差， 振动传感器(1-1-3)用于检测飞行器的振动信息， 压力传感器(1-1-4)用于检测飞行器的承压信息， 温度传感器(1-1-5)用于检测飞行器的温度信息。5.根据权利要求2所述的飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，所述的信号调理电路(1-2)包括可编程增益放大器(1-2-1)和12位模数转换器(1-2-2); 所述的可编程增益放大器(1-2-1)用于对接收的姿态信息进行放大，并送至12位模数转换器(1-2-2)进行模数转换后，送至I号主控模块(1-3)。6.根据权利要求1所述的飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，所述的所有的终端节点模块(I)和主节点模块(2)内均嵌入有Cont iki操作系统，且所述的Cont iki操作系统运行任务和处理事件的工作流程如下: 开始，依次执行时钟、串口初始化，进程初始化后，启动系统进程，然后启动用户自启动进程，并执行该进行，结束。7.根据权利要求3所述的飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，所述的I号主控模块(1-3)和2号主控模块(2-2)采用MSP430F5438A型芯片实现。8.根据权利要求1或7所述的飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，所述的每个终端节点模块(I)和主节点模块(2)上均移植uIPv6协议，每个终端节点模块(I)组建网络时，会分配一个唯一的IP地址，IP地址为1.0的节点为主节点，终端节点模块(I)通过多跳和自组织的方式组成无线网络，所有采集到的数据均汇聚至主节点模块(2)所在的主节点上。9.根据权利要求1所述的飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，所述的温度传感器(1-1-5)采用热电偶或电阻式温度检测器实现。10.根据权利要求5所述的飞行器运行状态无线监测系统，其特征在于，所述的每个终端节点模块(I)中I号主控模块(1-3)对传感系统(1-1)进行驱动的具体过程为: 首先，对?目号调理电路(I _2)进行初始化，传感系统(1-1)感知状态?目息，通过可编程增益放大器(1-2-1)对接收的状态信息进行32级增益放大后，再通过12位模数转换器(1-2-2)进行模数转换，将调理后的数据发送，最终传送到主节点模块(2)，通过PC机(3)进行显示。
【文档编号】G08C17/02GK105867281SQ201610416422
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】彭宇, 彭喜元, 史欣田, 刘连胜, 刘大同
【申请人】哈尔滨工业大学