基于无线传感器网络的飞行器结构健康监测系统的关键技术研究与应用
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摘 要： 通过建立数据聚合器、时序引擎同步、无线同步信标和温度补偿机制，减小了无线节点之间的时序漂移量；通过利用智能开关、压电悬臂梁结构、电化薄膜可充电电池，从而实现了无线节点的能量收集与储存；通过实施ZigBee协议中所规定的安全服务方法，并且开启基于冲突检测的载波侦听多路存取信道访问方法和采用自适应跳频技术，从而提高了无线通信的安全性与可靠性；通过设置无线节点工作模式的自动调节算法，优化了节点的能效。
关键词： 无线传感器网络； 结构健康监测； 时序同步； 能量收集与储存； ZigBee
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）11?0028?05
0 引 言
目前，随着飞行器的结构更加复杂、工作环境更加多变，导致需要连接更多的传感器，用以监测飞行器的参数与状态，如果仅凭借“硬连接”的方式，势必会增加飞行器的重量和成本，从而制约飞行器的发展。然而，随着无线传感器网络技术的日渐成熟，这种局面可能会彻底发生改变。
飞行器结构健康监测系统（Vehicle Structural Health Monitoring System，VSHMS）是将先进的传感器网络集成到飞行器结构中，通过对结构健康状况实时地监测，以确保飞行器的安全，并且能够降低维护时间与成本。通过将无线传感器网络应用到VSHMS中，可以在很大程度上减少布线，从而压缩系统的体积、重量以及成本，提高测试技术的灵活性和系统的可维护性，并且具备快速布局和实时传输动态信息的能力[1]，以至于能够彻底实现飞行器的状态维护（Condition?Based Maintenance， CBM）[2]，从而推动航空航天技术的发展。
目前，国内外针对VSHMS的研究工作，主要集中在相关节点与网络的设计[1，3?5]以及状态信息的提取与分析上[5?6]，但对于无线网络与有线网络的时序同步、无线节点的能量收集与储存、无线通信的安全性与可靠性等关键技术，研究成果相对稀缺[7]。本研究针对上述问题，设计了一套解决方案，通过研制VSHMS原型机，验证了其可行性。
1.1 无线传感器网络
如图1所示，某飞行器的发动机、翼面、舵面等重要结构部件，在系统状态发生变化或者出现故障时，其振动、应力、声音、压力、温度等信号会携带着大量的状态信息。通过对这些部位安装传感器节点，以作为无线网络的终端设备，将采集到的传感数据通过ZigBee路由器，向该网络中惟一的PAN协调器无线传输，最后再汇聚到数据聚合器中，以作为飞行器结构健康监测的信息。
1.2 传感器装置
当飞行器中的某些部位受到布线限制或者维护相对困难，但却需要安装大量的传感器节点时，可以考虑利用无线传感器网络加以实现，这些传感器装置通常包括了小功率级或者被动式传感器，诸如：应变计、加速度计和热电偶等；然而，当需要相对较高的采样率或者功率级的传感器装置时，可以考虑利用硬连接总线加以实现，这些传感器装置通常包括了诸如陀螺仪、加速度计和磁强计等；除此之外，通过利用嵌入式全球定位系统（GPS）可以获得飞行器的位置、速度以及时间信息，惯性传感组件可以获得飞行器的姿态（滚动、偏航和俯仰）信息。由于上述数据采用了多重采样速率和时间戳，因此需要设计一种器件，能够将不同类型的传感数据聚合到单一的、可伸缩的数据库中。
1.3 数据聚合器
数据聚合器可以用来同步记录来自不同总线或者网络中的无线和有线传感器数据，其主要技术指标是：
（1）采用开放式架构的操作系统。
（2）提供时序同步平台。
（3）数据保存在可扩展的传感器数据库中，并且可以将不同类型的数据归档到单一的文件中。
（4）可以聚合多重采样速率的数据到单一的数据库中。
（5）按照参数的不同类型，对数据进行分类排列，诸如时间戳或者传感器类型。
（6）支持多种总线接口：CAN，IEEE 802.15.4，以太网，USB，RS 232，RS 422，RS 485等。
1.4 时序引擎同步
由于本设计中的VSHMS属于分布式多重网络拓扑，因此，需要同步系统中所有的数据采集点，即需要同步每个传感器节点中嵌入式精密计时器的时钟。Le Cam曾经报道过在每个智能传感器节点上，使用嵌入式GPS模块，从而实现了1 μs的绝对精度[8]，然而，这种方法必然导致了成本和体积的增加。
如图2所示，时序引擎同步参照了MicroStrain公司提出的解决方案[9]，并且做出了相应的改进。该方案首先通过系统中惟一的GPS模块向时序引擎提供精确的时间信息，时序引擎再通过外部时钟触发的方式，向所有的网络控制器，同步提供精确的时钟脉冲信号，最后，控制器凭借有线（硬）连接或者无线连接的方式，分别通过各自的同步机制时钟信息，其中的无线控制器是通过无线同步信标机制，向节点定时广播时钟信号，以确保无线网络与有线网络的时序同步。
1.5 无线同步信标
由于在本设计中的无线网络借助的是PAN协调器，因此，可以通过中央广播同步信标机制，以校正无线传感器节点之间的时漂。首先，无线网络控制器需要向所有的节点，同时传输单播或者多播可设定地址的数据包，由于IEEE 802.15.4无线通信技术提供了广播寻址功能，因此，通过开启该功能可以将其实现；其次，由于同步数据包需要固定传输时序和接收时序，因此，通过利用在数据聚合器中的GPS作为精确的时序源，以驱动硬件中断，从而触发数据包的传输功能；最后，为了能够使通信延迟最小化并且尽可能地恒定，需要利用硬件执行数据包的发送和接收功能，因此，在发送中断请求到达接收端的主处理器之前，无线设备通过利用硬件状态机，针对所有传入的数据包进行解码和错误检验等处理工作，以实现执行效能的最大化。
1.6 温度补偿
如图3所示，除了在数据聚合器上需要精确的时序以外，在远程分布式传感器节点上的采样时序也同样需要很高的精度。因此，本设计首先通过板载温度传感器获得即时温度数据，再根据以前建立起的校准软件查询表中所对应的参数或者系数，微调振荡电路，使其能够在环境温度发生变化的情况下，确保输出频率的精度，从而实现了一个具有低功耗的温度补偿机制。通过利用该机制，可以在数据聚合器上实现精确的1 Hz输出频率，以作为网络控制器的时序同步的参考频率；通过将该机制略加修改，可以在无线传感器节点上实现从1 Hz～1 kHz的可调输出频率，以作为驱动主处理器上的传感器采样中断。
1.7 智能开关
如图3所示，维护和管理节点电池是无线传感器网络能够被大范围应用的主要障碍之一[10]。本设计选择采用了MicroStrain公司专门针对无线传感器网络的自适应能量收集电子产品。该产品的特点是利用仅消耗纳安培级电流的比较器作为智能开关，从而实现了电源控制，通过将智能开关运用到无线传感器节点上，可以等待直到储存的能量超过了设定的阈值时，该纳安培级的比较器开关才闭合，从而允许节点正常工作，以确保能量收支的平衡[9]。该技术的应用对于VSHMS是非常关键的，特别是能量级别很低或者是间歇性的应用时，储存的能量级别可能不足以维持无线传感器节点的长期工作，如果没有该智能开关的话，VSHMS就始终无法正常使用。
1.8 能量收集与储存
为了提高传感器网络的自主性，需要研究一种方法，以实现节点电池的充电。Hagerty等人介绍了一种能量收集方法，可以回收周围环境的微波能量[11]，但这种方法可能不适用于翼面或者舵面结构。本设计中的能量收集是根据压电效应，通过使用压电（PZT）材料，将结构中的应变能量转换为电能，以作为传感器节点的能量收集来源。
如图4所示，通过将PZT放置在50 mm长的锥形弯曲悬臂梁的顶部和底部，利用锥形悬臂结构，在压电元件上创造出几乎均匀的应变场。压电材料采用的是Smart Material公司的P2类型宏纤维复合材料（Macro Fiber Composites， MFC）。在悬臂梁的末端附着一个250 g的质量块，其共振频率大约为60 Hz。通过使用上述结构，传感器节点可以收集来自振动机械和旋转结构的能量。
由于电化薄膜可充电电池能够连续补充充电和小电流充电，并且具有非常低的泄漏，无记忆效应，能够反复充电并且性能稳定，因此，该类型电池可以作为传感器节点的能量储存元件。
1.9 无线通信的安全性与可靠性
由于无线通信的传输介质相比有线通信，存在着更多的安全性问题，为了防止凭借无线通信网络故意干扰、影响、入侵VSHMS。本设计严格实施ZigBee协议所规定的安全服务方法，诸如：密钥建立、密钥传送、帧保护和设备管理。除此之外，还采用了一些诸如：无线和有线网络的网关分离，设备的健壮和用户身份的验证，基于地址和协议的流量过滤，无线和有线区域的监控和入侵检测等多层防御措施[12]，以达到针对VSHMS的深度防御[13]。
由于在飞行器中含有大量的电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI），从而增加了白噪声基底，并且减少了传输的信噪品质，这势必会影响ZigBee网络的可靠性，由于IEEE 802.15.4的MAC层是基于冲突检测的载波侦听多路存取（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance， CSMA/CA）信道访问方法，因此，通过开启该功能，EMI可以得到部分缓解。
除了EMI，正在传输的ZigBee设备所产生的射频干扰（Radio Frequency Interference，RFI）也可能会影响飞行器的其他控制和监控设备。但是由于ZigBee终端设备睡眠时间的占空比相对较大，仅是周期性唤醒以发送或者接收消息，并且具有相对较低的功率级，因此，该类型设备不太可能成为干扰源，反而可能成为其他高功率无线通信系统的负干扰源。然而，对于高占空比和高功率的PAN协调器和ZigBee路由器，可能会产生更多的射频干扰，因此，本设计采用了自适应跳频技术，通过配置跳频信道和跳频图案，以实现发射功率的最小化，除此之外，通过优化无线通信网络的拓扑结构，使上述设备远离飞行器的敏感设备以及其他类型的无线发射器，最终可以有效地控制RFI。
2 系统测试
由于受到实验条件以及项目经费的限制，目前尚未进行机载或者弹上试验，仅在地面，根据某飞行器的结构，建立起一套VSHMS，以验证其可行性。
2.1 无线同步信标与温度补偿的效果测试
为了分析无线同步信标的使用效果，使用了三组不同的实验设置，以比较时序的漂移量。第一组实验：将无线节点放置在温控环境箱内，其电子装置被直接暴露于箱内空气中，不采用任何形式的热绝缘，环境温度被控制在-40～120 ℃之间，进行循环变化，共计12 h，24个周期，启用温度补偿，并且每隔60 s重新同步信标一次；第二组实验：采用第一组相同的设置，但禁用温度补偿，仅在测试的开始时刻发送计时信标一次；第三组实验：采用第一组相同的设置，但环境温度被恒定控制在室温27 ℃。
如图5所示，由于第三组的环境温度恒定，因此，将第三组的实验结果作为测试标准，经12 h之后，可以发现第一组的实验结果与第三组的实验结果几乎完全吻合，而相比之下，第二组的实验结果却相差很大，其时序同步精度误差经测量大约为57 ms，其每秒漂移率大约为0.057/（12×60×60） ≈ 1.32×10-6。由于第一组实验采用的是60 s的同步信标间隔，从理论上可以得到：其最大时序偏移量应当由每秒最大漂移率乘以60 s，若使用相对漂移率计算第一组的实验结果，其大约为60×1.32×10-6 ≈ 80 μs。由于传感器的最高采样率为128 Hz，即最大分辨率被限制为7.812 5 ms，因此，若采用第一组的实验设置，时序同步精度误差对于分辨率的影响可以忽略不计；若采用第二组的实验设置，即禁用无线同步信标与温度补偿，时序同步精度误差会严重影响分辨率，若长期使用所造成的累积误差也会影响传感数据时间戳的精度。
由此可以验证，基于无线同步信标与温度补偿机制，可以有效地克服由于环境温度、器件精度等原因造成的无线节点之间的时序漂移问题。
2.2 数据监测和无线节点工作模式的自动调节
以加速度计作为无线节点的传感单元为例，由于采用的是体积小、测量精度高的双轴MEMS加速度计，因此可以适用于测量翼面或者舵面等关键部位的振动加速度信号。
如图6所示，为了节约电能，除了在硬件方面选用了低功耗的器件以外，在软件方面，无线节点被设置成两种工作模式，以实现电源管理，其工作流程是：当传感数据处在设定的比较阈值范围以内时，则工作在通常模式下，此时加速度计的采样频率被设置为32 Hz，数据被临时储存在FLASH存储器中，ZigBee无线通信模块被设置为每隔60 s唤醒一次，以将存储的数据打包上传给数据聚合器，并且接受来自数据聚合器的同步信标，此时的数据最大延迟理论上为60 s；当传感数据超出了比较阈值范围以外时，则变换到突发模式下，此时加速计的采样频率被提高到128 Hz，无线通信模块不再启用休眠状态，节点向数据聚合器实时上传数据，以便于其跟踪监测，在突发模式下，对于工作模式的选择采用的是比较数据的变化率，当变化率大于其设定值范围时，则节点仍旧处在突发模式下，当变化率小于其设定值范围并且能够持续稳定一段时间时，节点将自动变换回通常模式，并且根据当前的稳定状态，重新设定比较阈值。
如图7所示，该设计中的VSHMS可以通过有线网络和无线网络实时地监测多个目标结构的GPS、惯性、加速度、温度、湿度、光照数据。为了更好地验证加速度监测功能的灵敏性和实时性，此次验证试验不采用加速度可稳定变化的升降台，而采用手动的方式。通过将节点由地面移动至距地1 m处的平台上，经15 s后再将其移回地面，以记录监测数据。
如表1所示，由VSHMS记录的监测数据可以得到：在第3 616.812 5 s之前，节点工作在通常模式下，即1/32 s采集数据一次；在第3 616.843 8 s处，由于加速度数据为0.252 2 g，超过了先前设定的比较阈值±0.25，节点变换到突发模式下，即1/128 s采集数据一次，并且实时上传数据。
如表2所示，由于持续稳定时间被设置为10 s，在第3 683 s之后的数据变化率持续低于变化率阈值±0.05，因此在第3 693 s节点变换回通常模式下，同时根据当前的数据值，重新设定了比较阈值为-0.01±0.25。
由于在该设计中的无线节点电能均来自于外部收集的能量，以至于在某些特定情况下，储存的电能不能够长期维持节点的实时工作，因此，对于无线通信模块这种高能耗单元，可以通过启用硬件制造商所提供的休眠状态，以节约宝贵的能量。由于本设计采用了两种阈值的比较以确定工作模式的方法，从而能够避免数据的短期稳定，造成工作模式的反复转换，并且能够根据新的稳定状态而重新设定阈值。下一步，将在工作模式的判断上加入自适应控制算法，根据数据的特征，自动调整阈值范围和持续时间，以至于能够更加有效地完成节点的数据采集与传输工作。
3 结 语
由于军用飞行器的飞行条件更加恶劣，甚至会出现普通飞行器所不会遇到的战损状况，因此需要增加更多的传感器，以保障飞行器的安全。本设计通过将无线传感器网络应用于VSHMS中，实现了飞行器结构健康监测的基本功能，并且很好地解决了数据聚合、时序同步和能量收集与储存等关键技术问题。下一步的工作是完善该系统，诸如：通过采用无线定位技术，实现目标的定位；通过采用统一的无线通信网络，实现传感器与驱动器的二网融合。总之，该系统具有非常广泛的研究与应用前景。
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