袁慎芳， 凌必赟， 任元強(qiáng)， 高 尚

(南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016)

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一種面向航空結(jié)構(gòu)的具有穿透能力的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)

袁慎芳， 凌必赟， 任元強(qiáng)， 高 尚

(南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016)

針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)穿透能力差的問(wèn)題，提出了一種面向航空結(jié)構(gòu)的具有穿透能力的433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。給出了節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)及通訊協(xié)議設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)和常規(guī)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法的正確性。在封閉飛機(jī)機(jī)翼盒段內(nèi)部布置節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)和基于2.4 GHz的Telosb節(jié)點(diǎn)的通信丟包率。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)穿透能力強(qiáng)于Telosb節(jié)點(diǎn)。功耗測(cè)試結(jié)果也表明,所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的功耗小于Telosb節(jié)點(diǎn)。

無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)； 結(jié)構(gòu)穿透能力；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)； 碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼盒段

引 言

近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，簡(jiǎn)稱(chēng)WSNs)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。相對(duì)于有線(xiàn)信號(hào)傳輸，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，并且能夠在不破壞結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。以飛機(jī)和船舶結(jié)構(gòu)為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)多為封閉或半封閉，且對(duì)結(jié)構(gòu)的氣密性和水密性有較高的要求，無(wú)線(xiàn)傳感器能夠保證在結(jié)構(gòu)完整性的前提下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器越來(lái)越多地應(yīng)用于封閉或半封閉結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。Knight[3]指出對(duì)飛機(jī)密閉結(jié)構(gòu)的載荷監(jiān)測(cè)不能采用有線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)姆绞健icrostrain公司將無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)放置在F-22的機(jī)翼盒段內(nèi)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)測(cè)試[4]。文獻(xiàn)[5]將無(wú)線(xiàn)傳感器布置在飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)和船舶船尾的密閉推進(jìn)裝置內(nèi)，分別用于對(duì)機(jī)翼紊流的監(jiān)測(cè)和對(duì)船舶推進(jìn)裝置水下工作環(huán)境的監(jiān)測(cè)。但是，無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳播伴隨著能量的衰減，包括路徑損耗和穿透損耗。特別當(dāng)無(wú)線(xiàn)傳感器處于封閉或半封閉的金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，該結(jié)構(gòu)可以近似成一個(gè)法拉第籠[5-6]，巨大的穿透損耗可能導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)信號(hào)無(wú)法穿透結(jié)構(gòu)。即使最終穿透了結(jié)構(gòu)，也會(huì)由于信號(hào)強(qiáng)度的劇減，導(dǎo)致丟包率的增加和穿透結(jié)構(gòu)之后傳輸距離的縮短。數(shù)據(jù)重傳機(jī)制和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)能夠在一定程度上緩解無(wú)線(xiàn)通訊質(zhì)量下降的問(wèn)題，但也相應(yīng)地增加了網(wǎng)絡(luò)的功耗，占用了信道，降低了網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行效率[7]。所以，研究并提高無(wú)線(xiàn)信號(hào)的結(jié)構(gòu)穿透能力具有實(shí)際意義。

目前，用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的工作頻段主要為IEEE802.15.4協(xié)議的2.4GHz。屬于工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)(industrial scientific medical，簡(jiǎn)稱(chēng)ISM)頻段的2.4 GHz在全世界范圍無(wú)需許可證，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,但是2.4 GHz頻段在墻壁和金屬上的傳播會(huì)有很大的衰減。相對(duì)于2.4 GHz，433 MHz也屬于ISM頻段，由于頻率更低，所以433 MHz的結(jié)構(gòu)穿透能力更強(qiáng)。另外，該頻段在各種系統(tǒng)中應(yīng)用比較少，具有較好的傳輸特性[8]。

筆者針對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)結(jié)構(gòu)穿透能力的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種具有結(jié)構(gòu)穿透能力的無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用信號(hào)穿透能力強(qiáng)的433 MHz頻段，發(fā)射功率為-1～20 dBm。介紹了節(jié)點(diǎn)的軟硬件研發(fā)和節(jié)點(diǎn)通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該無(wú)線(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功能，比較了在碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼盒段中該節(jié)點(diǎn)與Telosb節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)穿透能力，證明了該節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)穿透能力強(qiáng)于基于2.4 GHz的Telosb節(jié)點(diǎn)，其無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)部分的功耗小于Telosb節(jié)點(diǎn)。

1 無(wú)線(xiàn)信號(hào)結(jié)構(gòu)穿透能力

根據(jù)平面電磁場(chǎng)理論，無(wú)界均勻有耗介質(zhì)內(nèi)電磁波的電場(chǎng)表達(dá)式為

(1)

(2)

其中：E0為常矢量，代表電場(chǎng)矢量的起始振幅與極化方向；r為傳播方向的矢徑；α為幅值衰減系數(shù)；β為相位衰減系數(shù)；ω為無(wú)線(xiàn)信號(hào)工作頻率對(duì)應(yīng)的角頻率；ε為介電常數(shù)；μ為磁導(dǎo)率。

由式(1)可知，電磁波的振幅隨著e-αr指數(shù)規(guī)律衰減。由式(2)可知，當(dāng)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為確定值時(shí)，隨著無(wú)線(xiàn)信號(hào)工作頻率增加,幅值衰減系數(shù)也相應(yīng)增加。所以，無(wú)線(xiàn)信號(hào)工作頻率越高，其在介質(zhì)內(nèi)的傳播損耗越大。郭山紅等[8]基于墻體穿透對(duì)電磁波的穿透能力進(jìn)行了研究。除了電磁波在墻壁介質(zhì)內(nèi)傳輸外，還基于菲涅爾公式考慮了電磁波入射墻體和出射墻體的損耗。仿真結(jié)果表明，隨著無(wú)線(xiàn)信號(hào)工作頻率的升高，其穿透損耗也在升高。

除了仿真，實(shí)驗(yàn)研究也證明了低頻無(wú)線(xiàn)信號(hào)的結(jié)構(gòu)穿透能力更強(qiáng)、通訊質(zhì)量更好。文獻(xiàn)[9]基于機(jī)器對(duì)機(jī)器(machine to machine,簡(jiǎn)稱(chēng)M2M)通信對(duì)433 MHz和2.4 GHz頻段上的穿透能力進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)證明了433 MHz傳輸距離更遠(yuǎn)。Tanghe等[10]采用MoCo節(jié)點(diǎn)，基于集裝箱無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境，建立了路徑損耗模型，證明了433 MHz頻段上的穿透損耗低于2.4 GHz頻段。Isnin[11]比較了433，868和1 249 MHz 3個(gè)頻段在樓宇通信中的傳播性能，實(shí)驗(yàn)證明433 MHz有更好的穿透性能。

根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)分析可得，對(duì)于同為ISM頻段的433 MHz和2.4 GHz來(lái)說(shuō)，433 MHz的結(jié)構(gòu)穿透能力要強(qiáng)于2.4 GHz，所以筆者選用433 MHz作為傳輸頻段。

2 無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

具有結(jié)構(gòu)穿透能力的無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足應(yīng)變監(jiān)測(cè)信號(hào)采集轉(zhuǎn)換和無(wú)線(xiàn)信號(hào)穿透結(jié)構(gòu)的要求。同時(shí)，也要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的小型化、高速、低功耗和穩(wěn)定性。其架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)基本架構(gòu)Fig.1 Hardware structure of wireless strain node

節(jié)點(diǎn)的硬件分成3個(gè)模塊：應(yīng)變傳感模塊、主控模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。應(yīng)變傳感模塊輸出并調(diào)理應(yīng)變監(jiān)測(cè)信號(hào)。主控模塊承擔(dān)對(duì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的讀取、A/D轉(zhuǎn)換和對(duì)射頻模塊的操作任務(wù)。無(wú)線(xiàn)通信模塊負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的收發(fā)。

為了增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)穿透能力，無(wú)線(xiàn)通信模塊采用Silicon Labs公司的SI4432為核心的無(wú)線(xiàn)通信模塊。SI4432是一款高度集成的無(wú)線(xiàn)ISM 頻段收發(fā)芯片，其工作頻段范圍為240～930 MHz，具有極高的接收靈敏度(-121 dBm)，發(fā)射功率最高可達(dá)20 dBm。相對(duì)于目前常用的射頻芯片，其工作頻段包含無(wú)線(xiàn)信號(hào)結(jié)構(gòu)穿透能力較強(qiáng)的433 MHz，具有更大的發(fā)射功率可調(diào)范圍。SI4432的TX引腳為射頻信號(hào)發(fā)送端，RXp和RXn引腳為差分信號(hào)接收端。MSP430F1611通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,簡(jiǎn)稱(chēng)SPI)對(duì)SI4432進(jìn)行寄存器的配置。SI4432通過(guò)nIRQ引腳將相應(yīng)的中斷發(fā)送到主控模塊。該節(jié)點(diǎn)采用單天線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，用單刀雙擲芯片不斷切換節(jié)點(diǎn)的收發(fā)狀態(tài)。

應(yīng)變傳感模塊共有4個(gè)應(yīng)變傳感和信號(hào)調(diào)理通道。應(yīng)變傳感模塊中，應(yīng)變橋路的工作方式為單臂電橋，電阻的阻值為120Ω。電橋輸出的應(yīng)變監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)程控放大芯片的信號(hào)放大和濾波電路的低通濾波，傳輸?shù)街骺啬K。主控模塊以MSP430F1611微處理器為核心。MSP430系列微控制器是美國(guó)TI公司推出的超低功耗、高性能的16位混合信號(hào)處理器，內(nèi)置有12位高精度A/D，并且A/D轉(zhuǎn)換速度超過(guò)200 ks/s。

節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)物如圖2所示。節(jié)點(diǎn)分為上下兩層，應(yīng)變傳感模塊以應(yīng)變監(jiān)測(cè)電路板的形式位于下層；主控模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊以433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的形式位于上層，并且設(shè)計(jì)有USB接口和串口轉(zhuǎn)USB芯片，使得節(jié)點(diǎn)在只有主控模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊時(shí)能夠用作接收節(jié)點(diǎn)。

3 無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在應(yīng)變數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中，發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)的工作遵循一定的協(xié)議流程。協(xié)議流程分3部分，分別為初始化部分、采集發(fā)送部分和接收上傳部分。

采集發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)初始化主要分成MCU初始化和SI4432初始化。MCU初始化設(shè)置包括設(shè)置MCU的時(shí)鐘系統(tǒng)、引腳、SPI接口和中斷系統(tǒng)等。接收節(jié)點(diǎn)額外需要設(shè)置接收節(jié)點(diǎn)MCU的串口和串口中斷向量。對(duì)SI4432的配置，主要配置調(diào)制解調(diào)方式、載波頻率、數(shù)據(jù)包格式、接收校驗(yàn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、接收濾波帶寬和發(fā)射功率等。無(wú)線(xiàn)通信參數(shù)的設(shè)置將決定節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信質(zhì)量。關(guān)閉MCU和SI4432的部分時(shí)鐘系統(tǒng)降低節(jié)點(diǎn)的功耗，開(kāi)啟接收節(jié)點(diǎn)的MCU串口中斷和采集發(fā)送節(jié)點(diǎn)的管腳下降沿觸發(fā)中斷，節(jié)點(diǎn)設(shè)置為低功耗模式等待觸發(fā)。

圖3 節(jié)點(diǎn)工作流程Fig.3 The workflow of node

采集發(fā)送流程圖如圖3(a)所示。采集發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到控制命令后，初始化并開(kāi)啟MCU的A/D和定時(shí)器，不斷觸發(fā)定時(shí)器中斷程序。定時(shí)器中斷觸發(fā)程序包括A/D采樣轉(zhuǎn)換、清空FIFO、關(guān)閉SI4432除發(fā)送中斷以外的所有中斷、將有效數(shù)據(jù)填入FIFO及使能發(fā)送功能等步驟。當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完成時(shí)，中斷信號(hào)引腳nIRQ會(huì)被拉低并告知MCU。MCU讀取中斷標(biāo)志寄存器，該操作會(huì)自動(dòng)拉高nIRQ，否則繼續(xù)等待。一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功后關(guān)閉發(fā)送使能，進(jìn)入下一次采集發(fā)送，循環(huán)往復(fù)。

接收上傳的流程圖如圖3(b)所示。接收節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)前先清空SI4432的FIFO，然后關(guān)閉SI4432除接收中斷外所有中斷，最后使用節(jié)點(diǎn)的接收功能，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待接收狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收完數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SI4432的FIFO中，引腳nIRQ變?yōu)榈碗娖讲⒂|發(fā)MCU的中斷觸發(fā)程序。在中斷觸發(fā)程序中，MCU分別讀取中斷標(biāo)志寄存器，自動(dòng)拉高了引腳nIRQ，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)接收功能。從FIFO中讀取接收數(shù)據(jù)且通過(guò)串口向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)接收流程，循環(huán)往復(fù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)功能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼盒段。在機(jī)翼盒段的背部鋁板上并排粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片，將其中一個(gè)電阻應(yīng)變片連接到無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的輸入端口。節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸?shù)交竟?jié)點(diǎn)，測(cè)試的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面上。為了驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，將另一個(gè)電阻應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，實(shí)驗(yàn)比較節(jié)點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)與應(yīng)變儀測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)。機(jī)翼盒段背部鋁板所受載荷由絲杠提供，通過(guò)旋轉(zhuǎn)絲杠調(diào)節(jié)載荷大小。電阻應(yīng)變片與加載位置的距離不宜過(guò)小，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致不同位置的應(yīng)變劇烈變化，此處兩者相距30 cm。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 應(yīng)變監(jiān)測(cè)功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Experiment setup with wireless stain node and dynamic strain meter for strain monitoring

分析節(jié)點(diǎn)協(xié)議執(zhí)行時(shí)間、采集時(shí)間和無(wú)線(xiàn)發(fā)送時(shí)間等得出該應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的最大采樣率為410 Hz。將節(jié)點(diǎn)的采樣率設(shè)置成410 Hz。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先旋轉(zhuǎn)絲杠兩圈作為預(yù)應(yīng)力，然后不斷旋轉(zhuǎn)絲杠，每次旋轉(zhuǎn)一圈。當(dāng)數(shù)值穩(wěn)定后采5 s應(yīng)變數(shù)據(jù)做平均。前后共完成3次靜強(qiáng)度循環(huán)。表1為三輪靜力循環(huán)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變平均值和應(yīng)變儀測(cè)量值。

表1 無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)與應(yīng)變儀的應(yīng)變值對(duì)比

表1可知，無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)測(cè)得應(yīng)變數(shù)據(jù)與應(yīng)變儀最大絕對(duì)偏差為2 με，最大相對(duì)偏差為1.7%，所以該無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)能用于對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)量。

4.2 結(jié)構(gòu)穿透能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼盒段?？紤]到機(jī)翼盒段開(kāi)口的大小，將無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的上層板即433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)置于機(jī)翼盒段內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼盒段如圖5所示。分別將發(fā)送節(jié)點(diǎn)放置在圖5所示的位置1～6，測(cè)試在機(jī)翼盒段中的不同位置無(wú)線(xiàn)信號(hào)穿透機(jī)翼盒段的能力。

圖5 碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼盒段Fig.5 Positions for transmitting node in wing box

實(shí)驗(yàn)比較433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)和Telosb節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)穿透機(jī)翼盒段的能力。Telosb節(jié)點(diǎn)是CrossBow公司研制的一款基于Zigbee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感平臺(tái)，主控芯片也是MSP430系列，射頻芯片為CC2420，工作頻段為2.4 GHz，發(fā)射功率為-25～0 dBm。Telosb節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)傳感平臺(tái)已應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。另外，CC2420應(yīng)用于Tmote-Sky和MICAZ等，為目前熟知的應(yīng)變監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感平臺(tái)。因此在結(jié)構(gòu)穿透能力測(cè)試中，Telosb節(jié)點(diǎn)具有代表性。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。接收節(jié)點(diǎn)置于一個(gè)支架，并且與計(jì)算機(jī)連接。發(fā)送節(jié)點(diǎn)置于機(jī)翼盒段中。發(fā)送節(jié)點(diǎn)與機(jī)翼盒段的最大距離為15 m。用鋁塊封住機(jī)翼盒段的所有開(kāi)口，形成一個(gè)密閉空間。433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)與Telosb節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率均設(shè)為-1 dBm，均采用與其頻段相對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)，天線(xiàn)的增益均為3 dB。以丟包率(packet loss rate，簡(jiǎn)稱(chēng)PLR)衡量通訊質(zhì)量，每次無(wú)線(xiàn)信號(hào)的收發(fā)時(shí)間為15 min。測(cè)試機(jī)翼盒段和接收節(jié)點(diǎn)在不同距離下的丟包率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖6 結(jié)構(gòu)穿透能力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Experiment setup for structure-penetrating test

圖7 433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)和Telosb節(jié)點(diǎn)丟包率Fig.7 PLR for different positions

由圖7可知，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的距離在0～10 m時(shí)，433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)和Telosb節(jié)點(diǎn)的丟包率都為0左右。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的距離增加到10 m以上時(shí)，Telosb節(jié)點(diǎn)的丟包率陡然上升，最后會(huì)維持在90%～100%。此時(shí)433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的丟包率依然維持在0左右，可以證明433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度要高于Telosb節(jié)點(diǎn)，433 MHz頻段無(wú)線(xiàn)信號(hào)的結(jié)構(gòu)穿透能力要強(qiáng)于2.4 GHz頻段。考慮到433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率為20 dBm，遠(yuǎn)大于Telosb節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率0 dBm，所以433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)穿透能力將遠(yuǎn)大于Telosb節(jié)點(diǎn)。

4.3 無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

射頻芯片SI4432的發(fā)射功率有-1,2,5,8,11,14,17和20 dBm共8個(gè)檔位。分別測(cè)量了當(dāng)采樣率為32Hz時(shí)433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)發(fā)射功率下的功耗。功耗測(cè)試流程如圖8所示。

圖8 功耗測(cè)試流程圖Fig.8 The flow of energy consumption measurement

首先，實(shí)時(shí)測(cè)量節(jié)點(diǎn)輸入電流的波形；然后，對(duì)一個(gè)采集發(fā)送周期的電流波形進(jìn)行積分；最后，乘以節(jié)點(diǎn)輸入電壓并除以采集發(fā)送周期的時(shí)間，得到節(jié)點(diǎn)的平均功耗。

P=U/T∫Tidt

(3)

其中:P為節(jié)點(diǎn)的平均功耗；T為一個(gè)采集發(fā)送周期；U為節(jié)點(diǎn)的輸入電流；i為在一個(gè)采集發(fā)送周期內(nèi)的節(jié)點(diǎn)輸入電流。

節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)功耗

以同樣的方法測(cè)量Telosb節(jié)點(diǎn)的功耗。當(dāng)發(fā)送功率為-1 dBm、采樣率為32 Hz時(shí)，Telosb節(jié)點(diǎn)的功耗為68.1 mW，大于433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)在所有發(fā)射功率下的功耗。這是因?yàn)橄鄬?duì)CC2420射頻芯片，SI4432射頻芯片具有低功耗的工作模式。當(dāng)節(jié)點(diǎn)不處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，SI4432能被設(shè)置為低功耗狀態(tài)而非接收狀態(tài)，這大大減小了節(jié)點(diǎn)的輸入電流，減小了節(jié)點(diǎn)的功耗。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)分析可以證明，433 MHz無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的功耗小于Telosb節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的需求，研制出了一種具有結(jié)構(gòu)穿透能力的無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用433 MHz頻段傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)證明該節(jié)點(diǎn)能夠應(yīng)用于應(yīng)變監(jiān)測(cè)；在相同發(fā)射功率下該節(jié)點(diǎn)比基于2.4 GHz的Telosb節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穿透能力；無(wú)線(xiàn)部分的功耗小于Telosb節(jié)點(diǎn)。該無(wú)線(xiàn)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)能夠推進(jìn)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全、降低飛機(jī)維護(hù)成本具有重要意義。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.04.002

國(guó)家杰出青年基金資助項(xiàng)目(51225502)；江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科創(chuàng)新平臺(tái)資助項(xiàng)目；南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(kfjj130102);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NN2012051)

2014-06-01；

2014-08-09

TP393; TH89

袁慎芳，女，1968年4月生，博士、教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、先進(jìn)智能傳感技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)信息處理技術(shù)。曾發(fā)表《A miniaturized composite impact monitor and its evaluation research》(《Sensors and Actuators Physical》2012,No.184)等論文。

E-mail：ysf@nuaa.edu.cn