通过建立数据聚合器，同步引擎同步，无线同步信标和温度补偿机制，可以减少无线节点之间的同步漂移；通过使用智能开关，压电悬臂梁结构和电化学薄膜可充电电池，可以实现无线节点的能量收集和存储；通过实现ZigBee协议中指定的安全服务方法，并开始基于冲突检测和采用跳频技术的访问多个载波检测访问信道的方法自适应无线通信得到改善系统安全性和可靠性；通过调整用于自动调整无线节点操作模式的算法，可以优化节点的能源效率。前，随着飞机结构的复杂化和工作环境的变化，有必要连接更多的传感器来监测飞机的参数和状态。果仅依靠“硬连接”方法，将不可避免地增加重量和平面。本，这限制了飞机的发展。是，随着无线传感器网络技术的成熟，恒温阀芯这种情况可能会完全改变。辆结构健康监控系统（VSHMS）将先进的传感器网络集成到飞机结构中，并实时监控结构的健康状况，以确保飞机安全并减少维护时间和费用。过将无线传感器网络应用于VSHMS，可以大大减少布线，从而减小了系统的尺寸，重量和成本，提高了测试技术的灵活性和系统可维护性，并具有快速的布局和实时的动态传输信息的容量[1]，使其可以完全达到飞机维护状态（基于条件的维护，CBM）[2]，从而促进了航空技术的发展。前，国内外对VSHMS的研究主要集中在节点和相关网络的设计上[1、3？ 5]和状态信息的提取和分析[5？ 6]，但用于同步无线网络和有线网络的同步关键技术，例如从无线节点收集和存储能量，无线通信的安全性和可靠性以及研究成果是比较少见[7]。对上述问题，本研究设计了一套解决方案，并通过开发VSHMS原型验证了其可行性。图1所示，飞机的发动机，机翼的表面，舵的表面和其他重要的结构部件，当系统状态改变或发生故障时，其振动，应力， ，压力，温度和其他信号将包含很多状态信息。过在这些部分上安装传感器节点作为无线网络的终端设备，收集到的传感器数据将通过ZigBee路由器无线传输到网络的唯一PAN协调器，最后作为信息集成到数据聚合器中。机的结构健康监视。飞机的某些部件受到布线限制或维护相对困难时，但是需要安装大量传感器节点，则可以考虑使用无线传感器网络来实现它们。些传感器设备通常包括小功率级别或无源传感器，例如：加速度计，加速度计，热电偶等；但是，当需要采样率或相对较高功率的传感器时，可以设想使用电缆总线来实现这些目标，这些传感器通常包括陀螺仪，加速度计和磁计，等等此外，通过使用集成的全球定位系统（GPS）从飞机上获取位置，速度和时间信息，惯性检测组件可以从飞机上获得姿态信息（侧倾，偏航和俯仰）。于以上数据使用多个采样率和时间戳，因此需要设计一种能够将不同类型的检测数据聚合到单个可伸缩数据库中的设备。放式体系结构操作系统。供一个同步同步平台。据存储在可扩展的传感器数据库中，不同类型的数据可以存储在单个文件中。以将来自多个采样率的数据汇总到一个数据库中。据不同类型的参数（例如时间戳或传感器类型）对数据进行排序。持多种总线接口：CAN，IEEE 802.15.4，以太网，USB，RS 232，RS 422，RS 485等由于此设计中的VSHMS属于分布式多网络拓扑，因此有必要同步系统中的所有数据收集点，即每个模块中内置的精确计时器时钟传感器节点。轮已经报告说，在每个智能传感器节点上，都使用集成的GPS模块来实现1μs的绝对精度[8]，但是，这种方法不可避免地导致成本和体积的增加。图2所示，同步引擎同步引用MicroStrain [9]提出的解决方案，并带来相应的改进。解决方案首先通过系统唯一的GPS模块向同步引擎提供准确的时间信息，然后触发外部时钟以向所有网络控制器提供准确的时钟脉冲信号。接（硬）或无线连接，通过各自的同步机制释放时钟信息，并且无线控制器使用无线同步信标机制定期向节点广播时钟信号，以确保无线网络和有线网络随时间同步。于此设计中的无线网络依赖于PAN协调器，因此可以通过中心广播同步信标机制以校正无线传感器节点之间的时间漂移。先，无线网络控制器必须同时向所有节点发送单播或多播可寻址数据包，因为IEEE 802.15.4无线通信技术提供了广播寻址，您可以激活此功能以激活其实现；其次，由于同步数据包需要固定的发送时间和接收时间，因此，在数据聚合器中使用GPS作为精确的时间源会导致硬件中断，从而触发功能数据包的传输；最后，为了能够最大程度地减少通信延迟并保持恒定，必须使用硬件来执行数据包的发送和接收功能，因此，在发送请求之前到接收端的主处理器，无线设备使用硬件状态机来定位所有传入的数据包，并通过解码和错误检查对其进行处理，以最大程度地提高执行效率。图3所示，除了数据聚合器上要求的精确同步外，远程分布式传感器节点上的采样同步也需要高精度。此，该设计首先通过集成的温度传感器实时获取温度数据，然后根据先前建立的校准软件的搜索表中的相应参数或系数来优化振荡电路，这样就可以保证环境温度的变化，从而保证输出频率的精度，从而实现了低能耗的温度补偿机制。用这种机制，可以在数据聚合器上获得1 Hz的精确输出频率，作为网络控制器同步同步的参考频率。过稍微修改机制，无线传感器节点的频率可以达到1 Hz至1 Hz。调的1 kHz输出频率可以用作采样中断，以驱动主处理器上的传感器。图3所示，节点电池的维护和管理是无线传感器网络广泛使用的主要障碍之一[10]。设计选择使用MicroStrain的自适应能量回收电子设备，专门用于无线传感器网络。产品的特点是使用比较器，该比较器仅消耗纳安级电流作为智能开关，从而可以控制功率。过将智能开关应用于无线传感器节点，您可以等待存储的能量超过设置的阈值。安级比较器开关闭合，使节点能够正常运行以平衡能量预算[9]。项技术的应用对于VSHMS至关重要，特别是在能量水平非常低或断断续续的情况下，存储的能量水平可能不足以维持无线传感器节点的长期运行。果没有此智能开关，VSHMS仍将无法正常使用。了改善传感器网络的自治性，必须寻求一种为节点的电池充电的方法。Hagerty等。入了一种能量回收方法，可以从周围环境中回收微波能量[11]，但是这种方法可能不适用于机翼或舵结构。设计中的能量回收基于压电效应，由于使用了压电材料（PZT），结构中的变形能转化为电能，作为回收能量的来源。感器节点的能量。图4所示，通过将PZT放置在50 mm长的圆锥形弯曲悬臂梁的顶部和底部，可以使用锥形悬臂结构在压电元件上产生几乎均匀的变形场。电材料使用Smart Material的P2型宏纤维复合材料（Macro Fiber Composites，MFC）。250 g的质量附着在悬臂梁的末端，共振频率约为60 Hz。用上述结构，传感器节点可以从机器收集能量振动和旋转结构。于该电化学薄膜可再充电电池能够以小电流连续充电和充电，并且具有非常低的泄漏，没有记忆效应，因此可以反复充电并具有稳定的性能。池类型可以用作传感器节点的能量存储元件。
为无线通信的传输介质比有线通信具有更多的安全问题，所以为了防止无线通信网络对VSHMS的故意干扰，影响和入侵。设计严格执行ZigBee协议规定的安全服务方法，例如：密钥建立，密钥传输，帧保护和设备管理。外，还有一些多层防御措施，例如：无线和有线网络的网关分离，设备的健壮性和用户身份验证，基于地址和协议的流量过滤，入侵的监视和检测在无线和有线区域等[12]，以获得针对VSHMS的深度防御[13]。
于飞机包含大量电磁干扰（电磁干扰，EMI），这会增加白噪声本底并降低信号质量至传输噪声，这将不可避免地影响ZigBee网络的可靠性，由于MAC IEEE 802.15.4，该层是基于冲突检测的冲突避免载波检测（CSMA / CA）多路访问信道访问方法。此，通过激活此功能，可以部分衰减EMI。电磁干扰外，ZigBee设备在传输过程中产生的射频干扰（RFI）也可能影响其他飞机监控设备。是，由于ZigBee终端待机时间的使用周期相对较大，因此它仅定期唤醒以发送或接收消息，并且具有相对较低的功率水平，因此这种类型的设备不太可能成为干扰源，但可能成为来自其他大功率无线通信系统的负面干扰源。是，对于高负载，高功率PAN协调器和ZigBee路由器，可能会产生更多的RF干扰。
此，本设计使用自适应跳频技术，通过配置跳频信道和跳频模型，以最大程度地降低传输功率，并通过优化通信网络拓扑通过无线方式，上述设备应远离敏感的飞机设备和其他类型的无线发射器，最终可以有效地控制RFI。于实验条件和项目资金的限制，尚未进行飞行或机载测试。在地面上，根据飞机的结构，实施了VSHMS来检查其可行性。了分析使用同步无线信标的效果，使用了三组不同的实验参数来比较时间漂移。一组实验：通过将无线节点放在温度受控的盒子中，电子设备直接暴露于盒子中的空气中，而无需任何形式的隔热，从而控制了环境温度在-40〜120℃的循环变化中，总共12 h，24个循环，激活温度补偿，信标每60 s重新同步;第二组实验：使用与第一组相同的参数，但仅在测试开始时禁用温度补偿，一次发送一次定时信标；第三组实验：采用与第一组相同的设置，但是在27℃的环境温度下不断监测环境温度。图5所示，由于第三组的环境温度是恒定的，因此将第三组的实验结果作为测试标准，经过12 h，可以看出第一组和第三组的实验结果是第二组实验的结果几乎完全不同，同步同步精度的误差在57 ms左右测得，每秒的漂移率约为0.057 /（12×60×60 ）≈1.32×10-6。于第一组实验使用60 s的同步信标间隔，因此理论上可以得出最大同步偏移乘以60 s的每秒最大漂移率。果使用相对漂移率来计算第一组，则实验结果约为60×1.32×10-6≈80μs。
于传感器的最大采样频率为128 Hz，即最大分辨率限制为7.812 5 ms，因此，如果使用第一组实验参数，则效果同步分辨率上的同步精度误差可忽略不计；如果使用第二组实验设置，即禁用无线同步信标和温度补偿，则同步同步精度误差将严重影响分辨率和累积误差长期使用造成的影响也将影响传感器时间戳的准确性。以证明，在无线同步信标和温度补偿机制的基础上，可以有效克服由于环境温度引起的无线节点之间同步漂移的问题。备和其他原因。加速度计为例，作为无线节点的传感器单元，由于使用了体积小，测量精度高的MEMS两轴加速度计，因此可能适合于测量加速度传感器的加速度信号。翼表面或舵表面等关键部件的振动。图6所示，为了节省能源，除了在硬件中选择低功耗设备外，就软件而言，无线节点设置为两种工作模式以执行管理电源，其工作流程为：在检测期间当数据在定义的比较阈值范围内时，它将以正常模式工作。此阶段，将设置加速度计的采样率以32 Hz的频率将数据临时存储在闪存中，并将ZigBee无线通信模块设置为在60 s唤醒一次，以打包并下载存储在数据聚合器中的数据并接受标签理论上，此时的最大数据延迟为60 s；当传感器数据超出比较阈值范围时进入突发模式时，加速度计采样频率增加到128 Hz，无线通信模块不再处于待机状态，并且节点将数据上传到实时数据聚合器，以方便跟踪和监视。该模式下，工作模式的选择使用比较数据的变化率，当变化率大于其定义的值范围时，当变化率小于此值时，节点始终处于突发模式其定义的值范围并可以继续稳定一段时间后，节点会自动返回到正常模式并根据当前稳定状态重置比较阈值。图7所示，该设计中的VSHMS可以通过有线和无线网络实时监视来自多个目标结构的GPS，惯性，加速度，温度，湿度和照明数据。了更好地验证加速度监视功能的灵敏度和实时性能，此验证测试未使用加速度可以稳定变化的升降平台，而是使用手动方法。过将节点从地面移动到距离地面1 m的平台，然后在15 s后将其替换在地面上，就可以记录监视数据。表1所示，可以得到VSHMS记录的监控数据：在3 616.812 5 s之前，节点以正常模式运行，即1/32 s，一次采集一次；在3，616，843 8 s处，由于加速度数据为0.252 2 g，超过了先前定义的比较阈值±0.25，因此节点进入了突发模式，即1 / 128 s一次收集数据并实时下载数据。表2所示，由于连续稳定时间设置为10 s，因此3683 s之后的数据变化率继续低于变化率阈值±0.05，因此当3，693 s节点返回正常模式，同时根据当前数据值，比较阈值重置为-0.01±0.25。于此设计中无线节点的功率来自外部收集的能量，因此在某些特定情况下，存储的电能无法长时间维持节点的实时工作。此，对于高功耗单元之类的无线通信模块，您可以通过激活硬件制造商提供的待机状态来节省宝贵的能量。于此设计使用两个阈值的比较来确定工作模式，因此可以避免短期数据稳定性，导致工作模式的反复切换，并可以根据新的稳定状态重置阈值。一步，将在操作模式评估中添加自适应控制算法，并根据数据特征自动调整阈值范围和持续时间，以便从结可以更有效地执行。于军用飞机的飞行条件甚至更糟，甚至普通飞机都不会遇到的损坏情况，因此必须增加更多的传感器以确保飞机的安全。
设计通过将无线传感器网络应用于VSHMS来实现飞机结构健康监测的基本功能，并解决了关键技术问题，例如数据聚合，同步同步和收集。能量存储。一步是改进系统，包括：使用无线定位技术实现目标定位；通过使用统一的无线通信网络，来实现传感器和飞行员网络的集成。而言之，该系统具有非常广泛的研究和应用前景。
本文转载自
恒温阀芯 https://www.wisdom-thermostats.com