適用于火箭環(huán)境監(jiān)測(cè)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100094)

0 引言

隨著航天飛行器技術(shù)的發(fā)展，箭載測(cè)試系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度日益提高，現(xiàn)役箭載測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)點(diǎn)規(guī)模、測(cè)點(diǎn)靈活配置、線纜復(fù)雜布線、多參數(shù)集成測(cè)試和數(shù)據(jù)智能分析等方面難以滿足未來復(fù)雜航天器多樣化的測(cè)試要求。這就對(duì)基于無線技術(shù)的新型遙測(cè)系統(tǒng)提出了需求。與傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)相比，箭載無線傳感網(wǎng)絡(luò)在電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)，智能化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)組成具有諸多優(yōu)勢(shì)。目前，在國際上，美國成功的將無線傳感技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域，NASA曾在航天飛機(jī)上采用無線手段傳輸熱敏電阻的溫度數(shù)據(jù)；國際空間站Kibo試驗(yàn)艙內(nèi)采用無線微重力測(cè)量單元以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間微重力的測(cè)量。自2016年以來，NASA已將基于能量收集技術(shù)的無線傳感測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行了三次成功的搭載實(shí)驗(yàn)。相比國外情況，我國的箭載無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究方興未艾，尚無法大規(guī)模滿足測(cè)量要求。其差距主要體現(xiàn)在可靠性、低功耗水平和智能化水平不足3個(gè)方面。2018年5月4日，我國航天科技一院一部長(zhǎng)三乙搭載無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)首飛圓滿成功預(yù)示著這項(xiàng)技術(shù)具有革命性的發(fā)展前景[1]。

本文提出了一套適用于航天復(fù)雜環(huán)境中的無線組網(wǎng)的測(cè)量方案，采用了TDMA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的分時(shí)采集工作，并利用節(jié)點(diǎn)的精確時(shí)間同步、低功耗偵聽技術(shù)和超低的休眠功耗極大的延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)壽命；并通過功耗試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)證明了該系統(tǒng)具有功耗低，可靠性高的特點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要包含了無線傳感節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)綜合處理裝置及PC端設(shè)備。各類型傳感器的功能為采集環(huán)境信息，如溫度濕度等，將信息以無線通訊的方式上傳至數(shù)據(jù)綜合處理裝置，如遠(yuǎn)距離傳輸還需要中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與傳遞。數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)綜合處理裝置以有線方式轉(zhuǎn)發(fā)至PC端設(shè)備，可通過PC端的成熟軟件進(jìn)行對(duì)各個(gè)無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。其整體框架以概念圖模型的形式總結(jié)如下：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念圖

1.2 芯片選型

現(xiàn)階段國際市場(chǎng)中的各大知名院校均以取得科研成果作為最終目的，設(shè)計(jì)出大量具備低能效、高性能的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其詳細(xì)參數(shù)及型號(hào)條件如表1所示。

表1 無線節(jié)點(diǎn)技術(shù)參數(shù)設(shè)置

CPU作為無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的重要數(shù)據(jù)處理設(shè)備，可以單純的依靠射頻模塊對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行無線收發(fā)處理。但在過去的實(shí)踐過程中，射頻模塊和CPU總是保持獨(dú)立存在的連接狀態(tài)，不僅大大提升了硬件電路的鋪設(shè)難度，也使產(chǎn)品處理技術(shù)始終處于低級(jí)水平。隨著科學(xué)技術(shù)手段的進(jìn)步，CPU和射頻模塊終于成為了合并芯片中的獨(dú)立組成結(jié)構(gòu)，不僅有效降低了硬件電路的搭建難度，也充分簡(jiǎn)化了外圍電路、縮小了傳感器節(jié)點(diǎn)所占物理體積，促使產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平逐漸走向成熟。如表一中CUTEBOX節(jié)點(diǎn)和eZ430—Chronos節(jié)點(diǎn)，都是成熟的采用片上集成技術(shù)的芯片，其方案集成度高，周圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，提高了系統(tǒng)的可靠性。

ISM Band是一種由ITU-R組織定義的系統(tǒng)頻段選擇方式，其主要承用對(duì)象包含工業(yè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)三大領(lǐng)域，且整個(gè)使用過程不包含任何的授權(quán)費(fèi)用。為提升傳感器節(jié)點(diǎn)的綜合安全系數(shù)，在日常使用過程中只開放260～470 MHz、902～928 MHz、2.4 GHz三個(gè)免許可用頻段，對(duì)于不同國家或地區(qū)的多層次使用者來說，可以根據(jù)其自身所處的地域環(huán)境來選擇最為適宜的傳輸頻段。就目前情況來看，我國區(qū)域內(nèi)所使用的ISM頻段大多為433 MHz或2.4 GHz，其它頻段雖也具備少部分使用者，但因國際限制等多方面因素，使得頻段自身的穩(wěn)定性仍然不能達(dá)到理想應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。從電磁波原理角度而言，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，電磁波的傳播能力越強(qiáng)，同時(shí)傳輸?shù)乃俾试降??？紤]到箭載無線傳感網(wǎng)絡(luò)處于箭載環(huán)境的狹小封閉且多障礙的環(huán)境中，無疑較小的頻率可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)為緩變參數(shù)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸量較小，且考慮到箭體內(nèi)的遮擋環(huán)境，需要電磁波具有較強(qiáng)的繞射能力，故采用433 MHz的傳輸頻段。

綜合以上方面考慮,可選芯片型號(hào)為CC430F5137。片上基于CC1101內(nèi)核射頻模塊的簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。

圖2 射頻模塊簡(jiǎn)化框圖

RF1A內(nèi)核中的所有發(fā)射器結(jié)構(gòu)均是以射頻頻率作為合成基礎(chǔ)，且所有的用戶數(shù)據(jù)必須在經(jīng)過包處理器后，才能添加足夠的包同步字參數(shù)和地址信息，再經(jīng)由調(diào)制器傳輸至頻率合成器，完成后續(xù)的操作處理。頻率合成器包含一個(gè)LC壓控型振蕩器和一個(gè)90°相移器，當(dāng)后信號(hào)進(jìn)入功率放大器后，射頻模塊可自發(fā)通過天線組織對(duì)數(shù)字可調(diào)信號(hào)進(jìn)行最大化處理，并將這些信號(hào)借助輸出組織傳輸?shù)礁骷?jí)消耗結(jié)構(gòu)。CC1101內(nèi)核作為射頻模塊的功耗優(yōu)化設(shè)備，具備完整的無線喚醒功能，可使芯片在非工作時(shí)段保持良好的休眠狀態(tài)，這也是目前公認(rèn)性能最優(yōu)異的RF模塊低功耗芯片之一。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文中節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖3 硬件節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.1 CC430芯片外圍電路

硬件選擇主要考慮射頻模塊和微控制器模塊的選擇，我保證外圍電路具備較強(qiáng)的供電輸出能力，本文以TI公司生產(chǎn)的CC430F5137型片上系統(tǒng)(SOC)芯片作為CC430模塊的主要搭建裝置，該芯片只能供小型無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用，具備小型化，智能化，集成化等多項(xiàng)特點(diǎn)[2-3]。

在充分考慮CC430模塊的各項(xiàng)組成設(shè)備后，參考已投入使用的設(shè)計(jì)思路，完成該模塊的電路設(shè)計(jì)操作。

2.2 天線匹配電路設(shè)計(jì)及天線選型

天線阻抗匹配電路天線阻抗需要匹配電路。阻抗匹配電路與CC430芯片的RF_N和RF_P連接。為保證射頻操作結(jié)果的良好適應(yīng)能力，工程師會(huì)根據(jù)設(shè)備所處環(huán)境條件的不同，選擇最為適宜的傳輸天線。天線選擇過程中，應(yīng)用成本、傳輸性能、流量大小是最重要的基本物理?xiàng)l件。芯片天線、陶瓷天線、鞭狀天線是三種常見的PCB天線種類，根據(jù)材料物理性質(zhì)的不同，每種天線所面對(duì)的使用環(huán)境也不盡相同，其具體應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)環(huán)境條件如表2所示。

表2 幾種常見天線對(duì)比

本設(shè)計(jì)方案從成本、尺寸和性能3個(gè)角度考慮，選擇尺寸適中，設(shè)計(jì)難度小且性能較好的陶瓷天線作為無線射頻模塊的天線使用，具體選型為AN1603—433型天線。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊由電池供電。電池采用TL-4935型電池，該電池輸出電壓為3.6 V，適用于各種儀器儀表。電源模塊采用了TPS62743超低靜態(tài)電流降壓轉(zhuǎn)換器。該器件具有典型值為360 nA的超低靜態(tài)電流。該器件提供了8個(gè)可編程的輸出電壓，可以在1.2 V到3.3 V之間調(diào)節(jié)輸出電壓。只需要一個(gè)小型輸出電容即可獲得低輸出電壓紋波和低噪聲。一旦輸入電壓接近輸出電壓，器件可進(jìn)入100%無紋波模式，以防止輸出紋波電壓增大。電源模塊的設(shè)計(jì)滿足了整體節(jié)點(diǎn)的低功耗需求。節(jié)點(diǎn)的電源系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 電源模塊圖

2.4 ADS1210測(cè)溫模塊

ADS1210模塊主要包括熱電偶模擬前端、熱電偶冷節(jié)點(diǎn)溫度補(bǔ)償、熱電偶集成測(cè)量電路等。其系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 ADS1210溫度測(cè)量模塊框圖

其中，熱電偶模擬前端為模數(shù)轉(zhuǎn)換提供合適的偏置同時(shí)濾除共模和差模高頻噪聲，防止采樣混疊；熱電偶冷節(jié)點(diǎn)溫度補(bǔ)償，利用PT100溫度傳感器補(bǔ)償冷節(jié)點(diǎn)溫度變化引起的測(cè)量結(jié)果漂移；熱電偶集成測(cè)量電路提供了24位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換，PT100精密激勵(lì)電流源，利用PT100溫度傳感器實(shí)現(xiàn)冷節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償，并且進(jìn)行了數(shù)字濾波。

3 系統(tǒng)軟件解決方案

3.1 SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

根據(jù)硬件選擇，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該協(xié)議具有如下特點(diǎn)：

通常情況下，SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的物理規(guī)模相對(duì)較小，完成簡(jiǎn)易的開發(fā)編譯后只占用8 K左右的內(nèi)存空間，不僅具備應(yīng)用成本低廉的實(shí)用有點(diǎn)，且可以節(jié)省在處理器設(shè)備中所消耗的資源總量，適用于中小型或小型的WSN應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。對(duì)于執(zhí)行功能相對(duì)豐富的網(wǎng)絡(luò)組織來說，SimpliciTI協(xié)議可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定向連接，并在AP節(jié)點(diǎn)處清晰標(biāo)注網(wǎng)絡(luò)主體的協(xié)調(diào)拓?fù)淝闆r，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸信道呈現(xiàn)一種穩(wěn)定的星型連接狀態(tài)。作為網(wǎng)絡(luò)層與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的唯一傳輸連接介質(zhì)，SimpliciTI協(xié)議提供了最簡(jiǎn)單的執(zhí)行管理功能，在選擇數(shù)據(jù)信道的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)已占用頻段的無線調(diào)制，使互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)始終處于一種安全加密狀態(tài)。TI公司在發(fā)布SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的同時(shí)，對(duì)所有射頻芯片和支持處理器都進(jìn)行了移植處理，使得與協(xié)議相關(guān)的所有源代碼都處于透明化狀態(tài)，且受到外界云環(huán)境的影響，SimpliciTI協(xié)議從根本上實(shí)現(xiàn)了“零成本”占用，這也是新型網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品具備免費(fèi)授權(quán)可能的主要原因[4]。

其中，Nwk freq.c文件直接提供頻率管理函數(shù)；Nwk_ioctl.c文件負(fù)責(zé)處理IO接口事件，并管理相關(guān)頻率函數(shù)；Nwk_jion.c文件可在占用網(wǎng)絡(luò)中直接加入函數(shù)；Nwk_link.c文件是生成網(wǎng)絡(luò)連接函數(shù)的唯一目的區(qū)域；Nwk_mgmt.c文件提供整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所需的管理函數(shù)；Nwkes_ping.c文件負(fù)責(zé)Ping功能函數(shù)的定向傳輸；Nwk_security.c文件在主體網(wǎng)絡(luò)中對(duì)函數(shù)進(jìn)行加密處理；nwk.c文件可以面向網(wǎng)絡(luò)層提供基本運(yùn)行函數(shù)；Nwk_api.c文件是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的核心繼承組織，可逐一傳輸其它設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的API函數(shù)；Nwk_frame.c文件則只能提供幀處理函數(shù)；Nwk_globals.c文件在傳輸網(wǎng)絡(luò)中管理所有數(shù)據(jù)型函數(shù)；Nwk_QMgmt.c文件負(fù)責(zé)生成所有用于輸入、輸出處理的隊(duì)列函數(shù)。

3.2 應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)也叫終端節(jié)點(diǎn)，以進(jìn)行完整的數(shù)據(jù)采集操作作為實(shí)用目標(biāo)，在滿足出發(fā)條件時(shí)，利用SimpliciTI協(xié)議將已經(jīng)采集到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸至各級(jí)中心處理節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)信息接入之前，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備必須經(jīng)過底層協(xié)議棧、睡眠定時(shí)器、溫度傳感器等多項(xiàng)組成設(shè)備的初始化處理看，并在確定輸入具備反饋能力的前提下，將其傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心。待一次完整的信息回饋運(yùn)行后，終端節(jié)點(diǎn)才可以完整的加入網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)。在固定的間隔時(shí)間內(nèi)，溫度傳感器所采集的溫度數(shù)據(jù)都必須在終端節(jié)點(diǎn)的促進(jìn)下才可以進(jìn)入中心節(jié)點(diǎn)，其具體傳輸流程如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)流程圖

在休眠模式中，為了降低系統(tǒng)功耗，最優(yōu)化的使用了LPM3模式，使CPU停止活動(dòng)，ACLK保持活動(dòng)，MCLK和DCO被禁止。在程序設(shè)計(jì)中，更多使用計(jì)算分支和快速查表來代替程序標(biāo)志位和冗長(zhǎng)軟件計(jì)算，減少了軟件設(shè)計(jì)難度，避免了頻繁的子程序調(diào)用。同時(shí)為了增加系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)了如圖7的節(jié)點(diǎn)中斷在入網(wǎng)流程[5]。

圖7 節(jié)點(diǎn)斷網(wǎng)后重新入網(wǎng)流程

傳感器節(jié)點(diǎn)斷網(wǎng)后再次入網(wǎng)時(shí)，根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立，則在網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的間隙時(shí)間段發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求。負(fù)責(zé)管理傳感器節(jié)點(diǎn)的最后一級(jí)中繼器節(jié)點(diǎn)收到該請(qǐng)求后，在下一次正常傳輸過程中發(fā)送傳輸指令包，傳輸指令包格式為在正常傳輸數(shù)據(jù)的最后兩個(gè)字節(jié)添加時(shí)間碼和起始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)解算出時(shí)間碼和起始發(fā)送時(shí)間點(diǎn)后開始進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)正常工作。

為了保證數(shù)據(jù)完整可靠傳輸，采用了數(shù)據(jù)幀丟失監(jiān)測(cè)方案。所有數(shù)據(jù)幀的末尾都綴連一個(gè)TID數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)，用以檢測(cè)數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)了不可逆的丟失行為，且對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)信息來說，僅提取其后綴的TID數(shù)據(jù)，并將其與上一幀進(jìn)行對(duì)比，即可判定數(shù)據(jù)幀是否出現(xiàn)丟失行為。

表3 TID值與數(shù)據(jù)幀關(guān)系

上述系統(tǒng)TID數(shù)據(jù)的原始寬度為8位，與之相對(duì)應(yīng)的TID最大值即為255。當(dāng)發(fā)送端(接收端)完成一次正常的數(shù)據(jù)發(fā)送(接收)處理后，相關(guān)TID數(shù)據(jù)變回自行進(jìn)行加1處理。而當(dāng)TID數(shù)據(jù)等于最大值255時(shí)，下一次的TID數(shù)據(jù)變回自行回歸為0。若數(shù)據(jù)幀丟失行為出現(xiàn)在最大TID數(shù)據(jù)附近時(shí)，首先需要確定具體的幀數(shù)丟失數(shù)量，再將上述數(shù)值結(jié)果與數(shù)據(jù)0相加，得出最終的TID數(shù)據(jù)結(jié)果，但在此情況下，系統(tǒng)會(huì)判定TID數(shù)據(jù)出現(xiàn)重傳行為，與之相關(guān)的一切操作都為誤判斷結(jié)果，而TID窗口的出現(xiàn)有效避免了這種過于片面的判斷操作。若預(yù)先設(shè)定TID_WINDOW=5，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)幀丟失行為時(shí)，若本次丟失的幀數(shù)在最大誤差范圍5內(nèi)，則判定此次行為僅為一般性數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；若本次丟失的幀數(shù)超過最大誤差范圍5時(shí)，則判定此次行為屬于數(shù)據(jù)幀重傳[4]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

本次溫度數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)測(cè)試的目的是檢測(cè)溫度無線傳感網(wǎng)絡(luò)能否正常測(cè)溫。系統(tǒng)中包含1個(gè)數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)、5個(gè)溫度傳感節(jié)點(diǎn)，PC機(jī)作為串口調(diào)試助手軟件，可借助直接串口設(shè)備與數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)直接相連。實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)鐖D8所示。

圖8 五個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度曲線圖

4.2 可靠性試驗(yàn)

上述實(shí)驗(yàn)過程中，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2不參與SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運(yùn)行過程，操作地點(diǎn)為相距10 m左右的空曠區(qū)域，節(jié)點(diǎn)1在接收到有效數(shù)據(jù)后，直接將其記錄在射頻模塊的FIFO發(fā)送數(shù)據(jù)中，并在射頻模塊啟動(dòng)后自主進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)[5-6]。節(jié)點(diǎn)2在接收到有效數(shù)據(jù)后，首先向FIFO數(shù)據(jù)發(fā)出讀取指令，再借助串口設(shè)備將其發(fā)送至主機(jī)的PC端。在主機(jī)端收接受數(shù)據(jù)并判斷接收數(shù)據(jù)是否正確。整個(gè)過程中節(jié)點(diǎn)1每隔1 ms(間隔時(shí)間可調(diào))發(fā)送一次數(shù)據(jù)，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)“1234”10 000次。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)1來說，經(jīng)過100 000次的數(shù)據(jù)發(fā)送后，就可以通過統(tǒng)計(jì)已接受到數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)情況來判斷數(shù)據(jù)的計(jì)算誤碼率。在上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，節(jié)點(diǎn)2接收到23個(gè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)字節(jié)，故與之相關(guān)的誤碼率結(jié)果為(23/10000) 100% = 0.23%。

4.3 功耗實(shí)驗(yàn)

為了有效控制節(jié)點(diǎn)的電流消耗情況，將所有無線節(jié)點(diǎn)電阻外部都串聯(lián)一個(gè)外接電源，并通過阻值調(diào)整的方式，使節(jié)點(diǎn)消耗電流始終小于小電阻電流[7-9]。小電阻電流屬于電阻自身的物理性質(zhì)，可以通過小電阻電壓與電阻值作比的方式獲得。實(shí)際測(cè)量中，小電阻電壓值始終在0～0.684 V之間浮動(dòng)，所以節(jié)點(diǎn)兩端電壓只在3.8～4.5 V之間保持浮動(dòng)。除上述標(biāo)注值以外的節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)值，不會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的正常工作行為造成影響。將數(shù)據(jù)采集卡NI PCI—6220與小電阻相連，直接測(cè)量小電阻兩端的電壓變化情況。

實(shí)驗(yàn)過程中，先控制無線節(jié)點(diǎn)使其保持休眠狀態(tài)，在固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)t0后，開始數(shù)據(jù)包發(fā)送行為，并為時(shí)間節(jié)點(diǎn)t1作為結(jié)束，完成上述操作后再控制無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。分析數(shù)據(jù)采集卡中的信息可知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將大部分能量消耗在無線數(shù)據(jù)收發(fā)過程中。數(shù)據(jù)采集卡采集波形與數(shù)據(jù)發(fā)送過程經(jīng)matlab處理結(jié)果如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)次波形與MATLAB處理波形

為數(shù)據(jù)采集卡中所顯示數(shù)據(jù)為15歐姆電阻兩端的電壓值，計(jì)為VR，則流經(jīng)該節(jié)點(diǎn)的電流值為I=VR/15。受到穩(wěn)壓芯片的影響，節(jié)點(diǎn)電壓VMODE應(yīng)等于3.3 V，節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)功率P=VMODE×I,總功耗為：

(1)

帶入具體數(shù)據(jù)為:

(2)

本次采樣過程中的采樣頻率始終保持為1 000 samples/s，所以轉(zhuǎn)換為離散公式后應(yīng)有：

(3)

其中:Δt=0.001 ms。

分析圖9可知，本次數(shù)據(jù)采集操作射頻模塊的開啟時(shí)間為369 ms、結(jié)束時(shí)間為994 ms，即t1=369、t2=974，整個(gè)過程經(jīng)歷了625 ms。根據(jù)matlab積分計(jì)算結(jié)果可知，從t0到t1時(shí)間段內(nèi)消耗的總功耗為110.2 mW。

由電池容量和單次發(fā)射功耗計(jì)算，電池可滿足316 800次數(shù)據(jù)傳輸，滿足在1年—2年時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)的使用要求。

5 結(jié)論

本文以箭載應(yīng)用的迫切需求為背景，結(jié)合無線傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)性的提出了用于監(jiān)測(cè)箭載環(huán)境參數(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。硬件運(yùn)行環(huán)境搭建采用低功耗的CC430芯片，并使其作為整個(gè)控制操作環(huán)節(jié)的唯一執(zhí)行組件，在電源模塊采用了TPS62743型低功耗芯片，和AN1603—433型天線選型完成測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)工作；在軟件方面優(yōu)化代碼，減小運(yùn)算量，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間來進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)功耗并針對(duì)箭載環(huán)境監(jiān)測(cè)的可靠性需求設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)斷網(wǎng)重新入網(wǎng)流程。并且節(jié)點(diǎn)體積小，質(zhì)量輕，工作于433 MHz使信號(hào)具有良好的強(qiáng)度。最終的三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效可行，具有較強(qiáng)的可實(shí)現(xiàn)性和火箭應(yīng)用價(jià)值。