一种自供电飞行器无线传感器节点的制作方法

本发明属于传感器领域，涉及一种自供电飞行器无线传感器节点。

背景技术：

在传统的结构健康监测系统中，传感器输出信号通过信号线进行传输；但是复杂的布线并不能适应工作环境复杂、体积质量要求高的飞行器环境。

技术实现要素：

本发明目的：提供了一种自供电飞行器无线传感器节点。

本发明的技术方案是：如图5所示，一种自供电飞行器无线传感器节点，包括测量传感器以及热电能量采集器、启动通道、MPPT通道、储能模块、稳压模块、MSP430微控制器、无线发射模块；其特征在于：传感器节点在无温差的情况下处于掉电状态，启动通道给MSP430微控制器上电；MSP430微控制器上电后，发出信号打开MPPT通道关闭启动通道；电能通过MPPT通道进入储能模块并输出至稳压模块；稳压模块将电压调整至3.3V供传感器节点使用；测量传感器采集信号后发送给MSP430微控制器；当储能元件中电能足够时，启动无线发射模块发送数据。

本发明的有益效果：本传感器节点，采用了环境能量采集的方式，实现了一种不需要外部电能输入的无线传感器节点。本传感器节点摆脱了信号线甚至是电源线的束缚，摆脱了传统测试系统复杂的布线要求，降低了传感器节点的空间和质量要求。启动通道可以在MSP430微控制器掉电的情况下，不依靠外界输入启动传感器节点节点。储能模块可以根据外界环境，在保证充电速度的同时提高容量。本传感器节点可用于实时的监测和控制飞行器的工作环境、工作状态，对飞机飞行安全可靠要求发挥重要作用。

附图说明

图1是本自供电飞行器无线传感器节点安装方式示意图；

图2是本自供电飞行器无线传感器节点的启动电路示意图；

图3是本自供电飞行器无线传感器节点的控制电路示意图；

图4是本自供电飞行器无线传感器节点的多级储能电路示意图；

图5是本自供电飞行器无线传感器节点的系统示意图。

具体实施方式

为更好的说明本发明，下面结合附图具体说明。

1、热电能量采集器安装方式

温度梯度在飞行器中广泛存在，但是其来源和分布方式却不尽相同。气动加热产生的高温源一般分布在受空气作用较大的机体结构尖锐部位，如机翼前缘、尾翼前缘、进气道入口等位置。另一种类型的温差由机载设备产生，如机舱内外壁温差、仪表舱内外壁温差、发动机室温差等。

对于气动加热产生的局部高温热源，其产生位置通常不利于热电能量采集器的安装。并且存在温差的环境中通常伴随着振动存在，使用刚体安装容易造成损坏，导热结构应设计弹性区域适应机体结构振动。使用传热软管作为传热结构可以更好的适应飞行器的热源分布结构。将热电能量采集器通过传热基座直接安装在安装表面1上，使用导热软管与安装表面2之间传递热量。在传热软管外加装保温层提高温差能转换效率，安装方式如图1所示。

2、启动通道

启动通道电路图如图2所示。当MSP430微控制器处于掉电状态时，其P4.1管脚处于高阻态；MOS管Q₂的栅极管脚处于低电平，MOS管Q₂截至；此时，输入电压通过电阻R₁使三极管的基极的电位高于0.7V，三极管Q1导通工作于发射极输出工作模式；此时，热电能量采集器通过启动通道向储能模块充电；当MSP430微控制器上电后，输出PWM波打开MPPT通道，随后P4.1管脚输出高电平，MOS管Q₂导通，将三极管Q₁基极电压拉低，使其截至；启动通道关闭，传感器节点进入高效收集状态。

3、MPPT通道

MPPT通道如图3所示，利用Buck-Boost电路工作产生的虚拟阻抗，调整热电能量采集器的输出阻抗，改变热电能量采集器的输出状态，达到最大功率点跟踪的效果。每隔一段时间，改变MSP430微控制器输出的PWM波的占空比，观察热电能量采集器输出功率的变化方向。热电能量采集器的输出有且仅有一个最大功率点，一个微小扰动后，如果输出功率的变化方向与扰动的方向相同，说明当前的工作状态在最大功率点左侧；反之，说明当前的工作状态在最大功率点的右侧。通过不断调节单片机输出PWM波的占空比，观察热电能量采集器的输出功率的变化，直到热电能量采集器工作在最大功率点附近。

传统的功率测量方法需要测量热电能量采集器的输出电压和输出电流，而测量输出电流需要引入采样电阻，采样电阻太小会消耗大量功率，采样电阻太大会严重影响电路的工作。本传感器节点通过测量储能电容两端电压比较热电能量采集器输出功率。

扰动观察法中，并不需要确切的知道热电能量采集器输出的功率；仅需要比较不同占空比下热电能量采集器输出功率的大小。在负载电路工作状态不变的前提下，经过一定时间后，电容获得能量较多的状态对应的占空比更加靠近最大功率点。在调节占空比之前首先测量储能电容两端的电压V₁，经过后再次测量储能电能两端的电压V₂。根据电容能量计算公式计算热电能量采集器在带负载情况下的充电功率：

接着改变PWM波的占空比，使用同样的方法计算占空比变化后的热电能量采集器带负载的充电功率，两者相减即可计算出热电能量采集器输出功率的变化量。

实际应用中很难准确找到热电能量采集器输出的最大功率点，会导致PWM波的占空比一直在最大功率点附近震荡，导致MSP430微控制器一直处于工作状态无法进入低功耗模式，会增加系统的功耗。为此，设置一个参数e，当功率变化量的绝对值值小于e时，即认为系统达到了最大功率点，MSP430微控制器随即进入低功耗模式，等待下一次激活。

3、储能模块

现有的储能系统大多只有单一的储能元件，这样的设计在外界环境能量较为充足的情况下只能通过提升硬件中电容的容量的方法扩展系统的储存能量能力。但是这样做会增加电容电压的提升速度，影响外界能量不足的情况下的工作。为解决这以矛盾，充分利用MSP430微控制器的控制能力，设计了如图4所示的储能模块。

在电容C₃处于正常充电过程时，MSP430微控制器的控制电平1输出为低电平，三极管Q₆截至，MOS管Q₅截止。当MSP430微控制器内部的ADC检测到电容C₃两端电压达到一定值，将控制电平1设置为高电平一段时间。三极管Q₆导通，MOS管Q₅闭合，C₃中的能量通过开关进入C₄；C₃、C₄容值的设置使电能转移后其两端的电压仍高于MSP430微控制器的工作电压。Q₅断开后通过控制信号2使Q₈导通，使C₄中的能量进入较大的储能电容C₅。当外界环境能量不足时，C₃两端的电压下降二极管D₂导通，C₅中储存的能量继续供应传感器节点消耗，在一段时间内不掉电。