基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的浮空器遠(yuǎn)置終端設(shè)計

秦慧嫻,苗景剛,郝 勇,張曉榮, 袁明昱

(1.中國科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2.中國科學(xué)院大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100049)

0 引言

浮空器是人類社會最早研發(fā)和使用的一種飛行器，它的比重輕于空氣，主要依靠浮力實現(xiàn)駐空[1]，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于軍事、民用等方面。他的技術(shù)優(yōu)勢及特點(diǎn)主要包括：能源消耗小，駐空時間長，效費(fèi)比高；系留氣球可以實現(xiàn)較長時間定點(diǎn)駐空，載荷能力強(qiáng)；高空氣球飛行高度高，易于快速部署；對流層飛艇起降要求低，載荷能力大，機(jī)動性好；平流層飛艇續(xù)航持久，升空高度低，覆蓋地帶范圍廣[1]。

浮空器在進(jìn)行高空作業(yè)的過程中，需要實時監(jiān)控諸多物理參數(shù)以保障其正常工作，比如飛行時所處環(huán)境的溫濕度和壓強(qiáng)、飛行高度、飛行時的姿態(tài)角等，這些參數(shù)對保障浮空器正常飛行起著關(guān)鍵的作用。

對這些數(shù)據(jù)信息的大規(guī)模采集，傳統(tǒng)上使用線纜連接的方式，即在浮空器表面部署大量的連接線纜，通過連接線纜來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這樣會導(dǎo)致浮空器自身的重量增加并使系統(tǒng)的可靠性受到影響。除此之外，浮空器在進(jìn)行降落時的操作路徑為：地面工作人員操作地面遙控遙測設(shè)備—信號到達(dá)艇載遙控遙測設(shè)備—信號到達(dá)吊艙內(nèi)安全控制設(shè)備—連接線纜—火工品切割器。浮空器的安全控制設(shè)備一般位于吊艙內(nèi)，通過布設(shè)在浮空器表面的線纜，將設(shè)備艙和降落傘相連。電纜的長度一般為10～100 m，這樣會大大增加浮空器吊艙的重量以及布線的復(fù)雜度，在實際飛行時，由于線纜拉伸、纏繞等問題，容易損耗、拉斷線纜，致使浮空器無法安全降落。

遠(yuǎn)置終端也叫遠(yuǎn)程終端，是指布局在距離操作系統(tǒng)較遠(yuǎn)的位置的終端設(shè)備，它能夠和其他設(shè)備一起構(gòu)成一個系統(tǒng)，從而實現(xiàn)相應(yīng)的功能，遠(yuǎn)置終端現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，比如溫度控制遠(yuǎn)置終端系統(tǒng)[2]、基于IP核的1553B遠(yuǎn)置終端應(yīng)用于航天領(lǐng)域[3]。在本文中，位于浮空器頂端的硬件模塊就是遠(yuǎn)置終端。

改進(jìn)前后的浮空器布局對比圖如圖1所示。由圖可見，二者最主要的區(qū)別就是去掉了布局在浮空器上的線纜，從而大大減小了浮空器的質(zhì)量負(fù)擔(dān)，并提高了實時傳輸物理參數(shù)時的可靠性，遠(yuǎn)置終端和主節(jié)點(diǎn)之間通過LoRa無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行無線傳輸并發(fā)送相應(yīng)指令控制排氣閥開關(guān)。

圖1 改進(jìn)前后浮空器布局對比圖

近年來，已有學(xué)者將無線傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到浮空器上，中國科學(xué)院的郝勇等人[4]設(shè)計并實現(xiàn)了基于ZigBee的艇載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在一定程度上減少了飛艇上部署的線纜數(shù)量，提高飛艇的載荷能力，增加飛艇上數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性。陰啟玉[5]等人在無人艇載雷達(dá)中用無線傳輸技術(shù)來傳輸視頻。

在應(yīng)變數(shù)據(jù)測量方面，現(xiàn)在也有一些專門的測量儀，但是在需要實時采集、傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備上使用起來并不方便。為解決類似的問題，對于飛艇的蒙皮應(yīng)變監(jiān)測也可以使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[6]，與傳統(tǒng)的有線監(jiān)測相比，減輕了繁重的線纜并且可靠性高、易于擴(kuò)展，并且為了提高傳感器的有效使用率，使用相同傳感器數(shù)量時獲取盡可能多的數(shù)據(jù)信息，還對傳感器的布置進(jìn)行了優(yōu)化。對浮空器進(jìn)行分析，有針對性的選用合適的傳感器，設(shè)計出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的蒙皮應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用在飛艇的體積測量方面，與傳統(tǒng)飛行器不同，對浮空器氣囊狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測是對飛艇安全保障中重要的一步，因為飛艇的升力主要由氣囊中的浮升氣體產(chǎn)生的浮力來提供。基于無線傳感器的測量方法，克服了傳統(tǒng)的布線測量方法帶來的浪費(fèi)飛艇有限載荷，增大飛艇的自身重量，設(shè)備維護(hù)、檢修不方便等問題。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，艇體表面布設(shè)有眾多傳感器，通過這些傳感器測得的參數(shù)進(jìn)而可以推算出主副氣囊的體積，進(jìn)一步調(diào)控飛艇的內(nèi)外壓差，可以達(dá)到提高其使用壽命的目的[7]。

1 浮空器遠(yuǎn)置終端設(shè)計的結(jié)構(gòu)及原理

計算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信技術(shù)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮就是物聯(lián)網(wǎng)[8]。物聯(lián)網(wǎng)是指生活中的各種物品通過一些信息傳感設(shè)備，按照雙方約定好的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，互相進(jìn)行通信的一種網(wǎng)絡(luò)[9]?；谖锫?lián)網(wǎng)的浮空器遠(yuǎn)置終端的核心內(nèi)容就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)是國內(nèi)外研究人員的研究熱點(diǎn)之一，主要優(yōu)勢是數(shù)據(jù)信息可以實現(xiàn)無線傳輸，從而建立起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[10]。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的浮空器遠(yuǎn)置終端設(shè)計分為主節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)兩部分。主節(jié)點(diǎn)由無線傳輸、飛控計算機(jī)組成，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并通過上位機(jī)顯示，還通過無線傳輸方式給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。

如圖2所示，遠(yuǎn)置終端由太陽能自循環(huán)系統(tǒng)、傳感器、主控單元、作動機(jī)構(gòu)和無線傳輸模塊組成，太陽能自循環(huán)系統(tǒng)是各個部分的能量來源，主控單元同樣是起到整體控制作用的單片機(jī)最小系統(tǒng)，作動機(jī)構(gòu)控制排氣閥的開關(guān)，無線傳輸模塊實現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸。

圖2 整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2 主要技術(shù)路線

現(xiàn)在的無線傳輸技術(shù)有很多，彼此之間都有一些不同。從表1中可以看出，LoRa的傳輸距離是最遠(yuǎn)的，可達(dá)幾千米之遠(yuǎn)，同時，功耗和藍(lán)牙技術(shù)的功耗一樣低[11]。LoRa已廣泛應(yīng)用于水表、電表等無線集抄領(lǐng)域[12-14]。

表1 無線通信技術(shù)對比表

無線傳輸過程中容易發(fā)生干擾問題， 本文所采用的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，數(shù)據(jù)之間不存在互相干擾的問題[15-18]。借助LoRa通訊的傳輸距離長、低功耗等特點(diǎn)，將其應(yīng)用到浮空器上可以大大減少傳輸線纜的數(shù)量，從而減輕了載荷的重量，使得整個系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，讓研究人員可以對浮空器進(jìn)行實時、遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。

整個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，能源系統(tǒng)采用太陽能電池板外接鋰電池，采用穩(wěn)壓充電的方式，解決浮空器升空作業(yè)后的持續(xù)供電問題。無線傳輸傳感器節(jié)點(diǎn)，主要分為電源供應(yīng)模塊 、MCU單片機(jī)模塊，傳感器和通訊模塊，MCU單片機(jī)使用STM32L系列低功耗單片機(jī)，無線通訊模塊負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)對采集的溫度、壓差數(shù)據(jù)與網(wǎng)關(guān)交互，采用LoRa無線傳輸方式無線傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)。

3 硬件設(shè)計

該遠(yuǎn)置終端的硬件部分主要包括：主體STM32系列單片機(jī)、外部溫度、壓差數(shù)據(jù)采集傳感器、繼電器控制部分、通信串口、供電系統(tǒng)。

3.1 主要芯片選擇

浮空器在升空后所需的能量均來源于太陽能，白天太陽能電池板可以儲存能量，但到了晚上能量只有消耗而沒有吸收，因此在遠(yuǎn)置終端的設(shè)計中，需要選用功耗低的芯片以滿足遠(yuǎn)置終端24小時工作的要求。

ST公司推出的STM32L100C6-A，采用ARM公司的Cortex-M3 32位的MCU，32MhzCPU，有3組USART串口，12位的ADC，2組SPI，2組I2C，該芯片滿足遠(yuǎn)置終端的設(shè)計所需，與STM32系列其他芯片相比最主要特點(diǎn)是低功耗。

3.2 外部數(shù)據(jù)采集傳感器

為保證長時間并安全可靠的飛行，除了必須使用的外部傳感器以外，要盡量簡化傳感器設(shè)備。在浮空器的飛行過程中，需要采集的信息量主要有：氣壓差、溫度?？梢酝ㄟ^實時監(jiān)控這些信息達(dá)到監(jiān)控浮空器的飛行狀況，并有效延長駐空時間的目的。本設(shè)計選擇2種傳感器分別為：溫度傳感器(PT100)、氣壓差傳感器(DS0365)。

PT100器件制作方便，使用簡單，而且容易替換[19]。本文中，PT100溫度傳感器需要和相應(yīng)放大電路結(jié)合使用，而且由于最初采集到的是模擬信號，需經(jīng)過AD放大電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再輸出[20]。

INA326是一種常用的儀表放大器芯片，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)電源正負(fù)限輸入、輸出。

溫度傳感器采集接口如圖3所示，MR30-F外接PT100溫度傳感器，ADC_IN1與CPU相連，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過全橋放大電路放大后，可被主體單片機(jī)讀取。

圖3 溫度傳感器采集接口原理圖

壓差數(shù)據(jù)采集方面使用DS-0365壓差傳感器，其低電源電壓特性允許將其集成到各種過程控制和測量系統(tǒng)中，并直接通過I2C串行通信總線與主體單片機(jī)相連。

3.3 繼電器控制部分

如圖4所示，繼電器控制部分主要由74HC14反向器、ULN2003AN晶體管陣列、兩個TLP281光耦組成。74HC14反相器的耗電量低并且速度快，他的一個輸入端與主體單片機(jī)相連，該輸入端對應(yīng)的輸出端與ULN2003AN相連來驅(qū)動繼電器，74HC14的內(nèi)部構(gòu)造是實現(xiàn)了6路施密特觸發(fā)反相器，將緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換成清晰、無震顫的輸出信號。ULN2003AN是一種耐壓性強(qiáng)的大電流復(fù)合晶體管陣列，內(nèi)部有7個硅NPN復(fù)合晶體管，是常用的大電流驅(qū)動陣列，常用于單片機(jī)等控制電路中，也可直接驅(qū)動繼電器。TLP281光耦以光作為媒介來傳輸電信號，可以實現(xiàn)光—電—光的控制。

圖4 繼電器控制部分

3.4 通信串口

串口是節(jié)點(diǎn)和用戶電腦交互的一種工具，運(yùn)用串口可對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試以及采集信息的查看與輸出[4]。

STM32L100C6-A具有3個支持多種通信協(xié)議的強(qiáng)大USART，2個16 Mbit/s的SPI接口，2個I2C，本設(shè)計有一路JTAG，用于燒寫代碼和節(jié)點(diǎn)的調(diào)試。

3.5 電源系統(tǒng)

浮空器上大多使用鋰電池供電，若無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電源模塊直接利用鋰電池供電設(shè)計，會受限于鋰電池電量的大小，當(dāng)電量下降到一定程度時將無法工作，而增大電池容量則又帶來了質(zhì)量代價，本設(shè)計通過布局在浮空器頂部的太陽能電池板收集太陽能并儲存在鋰電池中。本設(shè)計使用穩(wěn)壓充電，因此太陽能電池板直接通過太陽能管理器外接鋰電池即可，鋰電池外接升壓模塊和降壓模塊，升壓至24 V給作動機(jī)構(gòu)供電，降壓至5 V給繼電器控制部分的光耦供電，降壓至3.3 V給芯片供電。升壓至24 V和降壓至5 V的電壓轉(zhuǎn)換方式分別使用鋰電池外接升壓模塊和降壓模塊，降壓至3.3 V則使用LT1764EQ-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器給芯片供電。

浮空器駐空時間長短不一，多者比如臨近空間飛艇有時需要在空中駐留幾個月之久，因此在對其進(jìn)行供電時，勢必要考慮其可持續(xù)工作的能源問題。太陽能電池是通過光電效應(yīng)吸收光能并將其轉(zhuǎn)化成電能的重要器件，起到整個系統(tǒng)的能量輸入的作用，他最重要的特性之一就是其輸出功率。太陽能電池是一種典型的非線性元器件，其輸出電流、電壓都是非線性的，并且它的輸出功率同時受到溫度和光照強(qiáng)度的影響。為了更好地分析其輸出特性曲線，通過Matlab仿真的方式，可得到太陽能電池的輸出特性曲線如圖5所示。

圖5 太陽能電池輸出特性曲線

直接受溫度影響的是太陽能電池的開路電壓，開路電壓隨溫度的升高而降低；輻照度直接影響的是太陽能電池的短路電流，短路電流隨輻照強(qiáng)大的增大而增大；除此之外，太陽能電池的輸出電流會隨著輸出電壓的增大而減小，因此，在一定條件下，太陽能電池達(dá)到最大功率點(diǎn)(MPP, maximum power point)時，輸出功率最大。太陽能電池自供電系統(tǒng)中的MPPT控制器負(fù)責(zé)將太陽能電池的輸出功率最大化，給后續(xù)負(fù)載提供能源。

4 實驗結(jié)果與分析

如圖6所示，軟件設(shè)計方面的主函數(shù)流程主要是：首先需要對各個硬件模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，并使遠(yuǎn)置終端節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)具有相同的波特率，這是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾獥l件；然后采集傳感器數(shù)據(jù)并將溫度傳感器、壓差傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口發(fā)送給單片機(jī)，之后通過LoRa協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)；飛控計算機(jī)和主節(jié)點(diǎn)相連，最后通過飛控計算機(jī)上的串口助手來讀取傳感器數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程控制排氣閥開關(guān)。

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件主函數(shù)流程圖

在實際實驗時，按照以上操作原理，首先將主節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的LoRa模塊進(jìn)行配置，使其具有相同的波特率，然后將遠(yuǎn)置終端硬件電路板和主節(jié)點(diǎn)均上電，此時電源部分經(jīng)過升壓模塊和降壓模塊后分別輸出24 V、5 V、3.3 V的電壓，用來給作動機(jī)構(gòu)、繼電器控制部分、主芯片供電，此時在電腦端打開串口助手，可以讀取傳感器無線傳輸下來的數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制排氣閥開關(guān)的功能。

如圖7所示，上位機(jī)顯示的Pressure和Temperature都是通過DS-0365讀取出來的，分別是壓差數(shù)據(jù)和芯片內(nèi)部的溫度，Temperature2是PT100溫度傳感器讀取的環(huán)境溫度。并且通過串口助手發(fā)送“ON”或者“OFF”可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制排氣閥的開關(guān)。

圖7 上位機(jī)顯示圖

遠(yuǎn)置終端所選用的LoRa模塊的工作環(huán)境溫度范圍為-50～50 ℃，系統(tǒng)采用超低功耗設(shè)計，采用定時的模式，在一定時間內(nèi)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，在一定程度上相應(yīng)減少了功耗。除此之外，還要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，對此進(jìn)行了測試。將發(fā)送端和接收端的波特率均設(shè)置為115 200，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試，傳送1 000包數(shù)據(jù)，每包加上時間戳，并且對每包進(jìn)行編號0 001～1 000，這樣在接收端，可以根據(jù)序號判斷丟失的包數(shù)。通過幾次試驗，平均每發(fā)送1 000包數(shù)據(jù)，丟失的包數(shù)小于7，數(shù)據(jù)傳輸較為可靠。并且在試驗時將兩節(jié)點(diǎn)相距50 m、100 m、200 m進(jìn)行了測試，而在實際飛行時，遠(yuǎn)置終端與主節(jié)點(diǎn)的距離即囊體頂部到吊艙的距離，小于200 m。由此驗證了此無線傳輸網(wǎng)絡(luò)可以較為可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和無線控制。

5 結(jié)束語

本文以LoRa無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本原理為基礎(chǔ)，針對浮空器這一特殊應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計出了適合浮空器使用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。并實現(xiàn)了從終端節(jié)點(diǎn)實時向主節(jié)點(diǎn)傳輸傳感器所采集數(shù)據(jù)的功能以及遠(yuǎn)程控制排氣閥開關(guān)的功能，并且可靠性較高，可以在足夠遠(yuǎn)距離下實現(xiàn)無線傳輸?shù)墓δ?。與傳統(tǒng)的浮空器數(shù)據(jù)傳輸方式相比，大大減小了浮空器在進(jìn)行高空作業(yè)時的質(zhì)量負(fù)擔(dān)，提高了浮空器的有效載荷能力以及作業(yè)時的可靠性，為浮空器的信息傳遞提供了保障。