丁 芳，胡海峰

（中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 300300）

機場目視助航燈光是保障飛機在夜間、低能見度或者其他復(fù)雜的天氣條件下，進(jìn)行正常起飛、著陸、滑行的必要目視助航設(shè)施[1]。助航燈光的穩(wěn)定性、可靠性對于飛機的安全起降有著舉足輕重的作用。因此，需要對助航燈的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，保證助航燈的正常工作。機場助航燈狀態(tài)的監(jiān)測一直依靠人工檢查和維護(hù)，存在無法及時檢修、易漏檢、工作效率低下等問題。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)采用CAN總線、RS-485總線等實現(xiàn)監(jiān)控中心和現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸[2]，但是采用這些方案布線復(fù)雜，施工量大，不容易改動。采用無線傳輸?shù)姆桨负芎玫亟鉀Q了上述問題。本文設(shè)計了基于nRF905和MC9S08GT60的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，研究了無線通訊協(xié)議，實現(xiàn)了覆蓋范圍較大的無線監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

無線監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控節(jié)點和傳感器節(jié)點組成。監(jiān)控節(jié)點安裝在燈光站內(nèi)，是無線監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)向各個傳感器節(jié)點發(fā)送指令。傳感器節(jié)點安裝在現(xiàn)場，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或者上傳本地數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 檢測電路設(shè)計

機場助航燈光是通過恒流調(diào)光器進(jìn)行分組控制的，也就是說，流過同一調(diào)光器的所控制的燈的電流是相同的。助航燈的光強可分為5級，對應(yīng)的流過助航燈的電流分別為2.8 A、3.4 A、4.1 A、5.2 A和6.6 A。

通過檢測隔離變壓器二次側(cè)電流的大小，可以推斷助航燈具輸出的光信號，同時參考隔離變壓器二次側(cè)電壓，就可以準(zhǔn)確判斷助航燈亮度異常、燈芯斷開和隔離變壓器二次側(cè)開路等故障[3]。設(shè)計的電路如圖2所示。該檢測電路可以將電流信號轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓信號，然后送給單片機進(jìn)行采樣處理。

2.2 無線射頻電路設(shè)計

nRF905是Nordic公司推出的一款短距離無線數(shù)據(jù)通訊收發(fā)芯片。nRF905可以工作在433/868/915工作頻段，在中國433 MHz頻段為開放的ISM頻段。nRF905最大傳輸速率為50 kbps，接受靈敏度為－100 dBm，最大發(fā)射功率為10 dBm；空曠通訊距離可以達(dá)到300 m左右，室內(nèi)通信效果良好、抗干擾能力、穿透能力強；其工作電壓為1.9～3.6 V。

nRF905收發(fā)模塊之間的通信是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送的。數(shù)據(jù)包的格式為：

其中：Preamble是前導(dǎo)碼，是硬件自動加上去的；ADDR是發(fā)送地址，長度可選1/2字節(jié)；PLAYLOAD是有效數(shù)據(jù)，長度可選1/2/4/8/16/32字節(jié)；CRC為循環(huán)校驗和，由內(nèi)部糾錯硬件電路自動加上，可選0/1/2字節(jié)。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。監(jiān)控節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)的中心，傳感器節(jié)點按距離監(jiān)控節(jié)點的遠(yuǎn)近分為多級，只有相鄰級的節(jié)點才可以直接通信。在監(jiān)控節(jié)點信號覆蓋范圍內(nèi)，監(jiān)控節(jié)點可以和傳感器節(jié)點直接通信。在信號覆蓋范圍之外，經(jīng)過中間節(jié)點多跳傳輸，可以實現(xiàn)監(jiān)控節(jié)點和傳感器節(jié)點的間接通訊。

4 軟件設(shè)計

4.1 多跳傳輸通訊協(xié)議設(shè)計

nRF905無線通訊模塊要實現(xiàn)相互通訊，必須滿足收發(fā)頻率相同、地址匹配、發(fā)送接收地址和數(shù)據(jù)長度一致等。由于監(jiān)控節(jié)點要實現(xiàn)和很多傳感器節(jié)點通訊，本設(shè)計采用地址輪詢通訊模式，為每個傳感器節(jié)點分配不同的地址。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要實現(xiàn)多跳傳輸，必須要設(shè)計出合適的通訊協(xié)議。

結(jié)合nRF905自身通訊特點，設(shè)計了一種簡單實用的無線通訊協(xié)議，其數(shù)據(jù)格式如下：

其中：SOD為信源節(jié)點地址；TYPE為幀類型；AID為目標(biāo)節(jié)點地址；MID（0）…MID（2）為中間節(jié)點地址；REMAIN為剩余跳數(shù)；MAX為最大跳數(shù)；DATA為有效數(shù)據(jù)[4]。

4.2 路由實現(xiàn)

根據(jù)路由的驅(qū)動方式可以把路由選擇協(xié)議分為兩種：一種是表驅(qū)動式路由選擇協(xié)議，另一種是源驅(qū)動按需路由選擇協(xié)議。表驅(qū)動式路由選擇協(xié)議的原理是：網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都維護(hù)一個到其他節(jié)點并相對穩(wěn)定的最新路由表，通過在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播路由更新來反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?。源?qū)動按需路由選擇協(xié)議只有節(jié)點需要路由時才建立路由，通訊過程才維持路由，通訊完畢就不再維持路由[5]。

按需源驅(qū)動路由是未來的發(fā)展方向，本系統(tǒng)采用動態(tài)源路由DSR。DSR協(xié)議包括兩個過程：路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)。當(dāng)一個節(jié)點欲發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點時，它首先查看路由緩存器中是否有到目的節(jié)點的路由，如果有則采用此路由，否則啟動路由發(fā)現(xiàn)程序。路由發(fā)現(xiàn)過程使用泛洪路由（flooding routing）。路由維護(hù)過程是源節(jié)點用來檢測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠癜l(fā)生變化的機制。一旦節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)需要使用的鄰接鏈路斷開，就會向源節(jié)點發(fā)送路由錯誤信息。沿途轉(zhuǎn)發(fā)路由出錯信息的節(jié)點收到路由錯誤信息后也會刪除包含該鏈路的所有路由。

4.2.1 DSR路由發(fā)現(xiàn)

DSR路由發(fā)現(xiàn)和中間節(jié)點的具體處理過程如圖4所示。當(dāng)節(jié)點A需要向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)，但不知道到節(jié)點D的路由，于是節(jié)點A就開始路由發(fā)現(xiàn)過程。源節(jié)點A向鄰居節(jié)點B和F廣播路由請求RREQ（route request），中間節(jié)點B和F接收到RREQ后，將自己的地址附在路由記錄中，然后繼續(xù)向各自的鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。如果節(jié)點接收到的RREQ消息中的路由記錄包括本節(jié)點的地址，則丟棄該RREQ。例如圖中節(jié)點F轉(zhuǎn)發(fā)RREQ時，節(jié)點A接收到RREQ就會丟棄。節(jié)點檢測到路由記錄有重復(fù)，也會丟棄該RREQ。如圖4中節(jié)點B會把F轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ丟棄。經(jīng)過不斷的轉(zhuǎn)發(fā)，最終目標(biāo)節(jié)點D將會收到RREQ。

DSR路由應(yīng)答的過程如圖5所示。目的節(jié)點D收到RREQ后，給源節(jié)點A返回路由應(yīng)答RREP（route reply），源節(jié)點A在收到目的節(jié)點D的RREP后在本地路由緩存中緩存路由信息A-B-C-D。

4.2.2 DSR路由維護(hù)

數(shù)據(jù)傳輸時，每個節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，都要先回復(fù)應(yīng)答ACK信號給其前一個節(jié)點，再轉(zhuǎn)發(fā)至下一個中間節(jié)點，節(jié)點中設(shè)置定時器，等待ACK信號，發(fā)送節(jié)點沒有收到ACK信號，則重新發(fā)送，設(shè)置重發(fā)次數(shù)為最大值N。如果重發(fā)N次都沒有收到ACK信號，則斷定下一個節(jié)點為中斷節(jié)點[6]。該節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送路由錯誤消息（route error），源節(jié)點將把該路由從路由緩存中刪除。如果源節(jié)點路由緩存中存在到達(dá)目的節(jié)點的備用路由，則使用該路由重發(fā)數(shù)據(jù)，否則重新開始路由發(fā)現(xiàn)過程。

4.3 節(jié)點軟件設(shè)計

監(jiān)控節(jié)點通過地址輪詢的方式和傳感器節(jié)點通訊，同一時刻一般只能有一個節(jié)點處于發(fā)射狀態(tài)。系統(tǒng)初始化之后，通過上位機軟件可以控制監(jiān)控節(jié)點查詢傳感器節(jié)點的工作狀態(tài)。監(jiān)控節(jié)點發(fā)送完指令后，進(jìn)入接收狀態(tài)，等待傳感器節(jié)點的回應(yīng)。

傳感器節(jié)點初始化之后配置為接收模式，等待有效數(shù)據(jù)的到來。MC9S08GT60不斷掃描nRF905的AM和DR引腳電平，如果AM和DR都為高電平則表示接受到有效數(shù)據(jù)。單片機從nRF905中讀取有效數(shù)據(jù)，然后判斷將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點或?qū)⒈竟?jié)點助航燈的狀態(tài)上傳。傳感器節(jié)點的軟件流程如圖6所示。

圖6 節(jié)點通訊軟件流程Fig.6 Flow diagram of nodes communication

這里仍然以監(jiān)控節(jié)點向傳感器節(jié)點401發(fā)送信息為例，監(jiān)控節(jié)點首先向傳感器節(jié)點101發(fā)送數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點101接受到數(shù)據(jù)后，REMAIN自減1，RE－MAIN此時等于3，傳感器節(jié)點101需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點，下一節(jié)點的地址為MID（1），即傳感器節(jié)點201。依次類推，節(jié)點201將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點302，節(jié)點302將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點401。節(jié)點401接收到數(shù)據(jù)，REMAIN自減1后等于0，此時節(jié)點401知道這是監(jiān)控節(jié)點傳給本節(jié)點的數(shù)據(jù)。然后節(jié)點401配置為發(fā)射模式，將本節(jié)點助航燈的狀態(tài)發(fā)送給監(jiān)控節(jié)點，之后返回接收模式。

5 實驗結(jié)果

為了測試DSR路由協(xié)議的性能和網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量，使用1個監(jiān)控節(jié)點、10個傳感器節(jié)點，在300 m×300 m的空曠區(qū)域進(jìn)行實驗。節(jié)點收發(fā)的數(shù)據(jù)包大小為32 B，平均每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包的個數(shù)可以改變，通過式（1）和式（2）分別計算節(jié)點的業(yè)務(wù)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)總負(fù)載。

每個節(jié)點的業(yè)務(wù)負(fù)載=平均每秒的數(shù)據(jù)包

業(yè)務(wù)總負(fù)載=每個節(jié)點的業(yè)務(wù)負(fù)載×傳感器

nRF905的有效數(shù)據(jù)傳輸速度為50 kbps，在自動應(yīng)答使能的情況下，實測點對點的數(shù)據(jù)吞吐量為16kbps。

調(diào)整傳感器節(jié)點的業(yè)務(wù)負(fù)載，記錄監(jiān)控節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)量，如表1所示。

表1 不同業(yè)務(wù)總負(fù)載下的網(wǎng)絡(luò)性能Tab.1 Performance of network under different total service load

通過表1中測試數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：

1）網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量約為12.75 kbps，路由協(xié)議開銷約為3.25 kbps。

2）隨著業(yè)務(wù)總負(fù)載的增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也在增加。當(dāng)業(yè)務(wù)總負(fù)載達(dá)到12.5 kbps時，網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到最優(yōu)，業(yè)務(wù)負(fù)載繼續(xù)增加，數(shù)據(jù)開始丟失。初步分析可以推斷，當(dāng)負(fù)載過大時，傳感器節(jié)點不能及時競爭到信道資源，造成數(shù)據(jù)包隊列堆積過多包，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

6 結(jié)語

本文設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)，對網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量可以滿足助航燈光實時監(jiān)控的需求。該系統(tǒng)克服了人工巡檢方式的缺點，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，提高了助航燈光維護(hù)效率，保障飛機的安全起降。

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