基于nRF905的助航燈光無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 芳，胡海峰

（中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

機(jī)場(chǎng)目視助航燈光是保障飛機(jī)在夜間、低能見(jiàn)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(duì)于飛機(jī)的安全起降有著舉足輕重的作用。因此，需要對(duì)助航燈的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證助航燈的正常工作。機(jī)場(chǎng)助航燈狀態(tài)的監(jiān)測(cè)一直依靠人工檢查和維護(hù)，存在無(wú)法及時(shí)檢修、易漏檢、工作效率低下等問(wèn)題。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)采用CAN總線、RS-485總線等實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心和現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)。采用無(wú)線傳輸?shù)姆桨负芎玫亟鉀Q了上述問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了基于nRF905和MC9S08GT60的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，研究了無(wú)線通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了覆蓋范圍較大的無(wú)線監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)安裝在燈光站內(nèi)，是無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)向各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在現(xiàn)場(chǎng)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或者上傳本地?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

機(jī)場(chǎng)助航燈光是通過(guò)恒流調(diào)光器進(jìn)行分組控制的，也就是說(shuō)，流過(guò)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(qiáng)可分為5級(jí)，對(duì)應(yīng)的流過(guò)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(guò)檢測(cè)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(hào)，同時(shí)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(jì)的電路如圖2所示。該檢測(cè)電路可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓信號(hào)，然后送給單片機(jī)進(jìn)行采樣處理。

2.2 無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)

nRF905是Nordic公司推出的一款短距離無(wú)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(guó)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(qiáng)；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(dòng)加上去的；ADDR是發(fā)送地址，長(zhǎng)度可選1/2字節(jié)；PLAYLOAD是有效數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度可選1/2/4/8/16/32字節(jié)；CRC為循環(huán)校驗(yàn)和，由內(nèi)部糾錯(cuò)硬件電路自動(dòng)加上，可選0/1/2字節(jié)。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的中心，傳感器節(jié)點(diǎn)按距離監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近分為多級(jí)，只有相鄰級(jí)的節(jié)點(diǎn)才可以直接通信。在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以和傳感器節(jié)點(diǎn)直接通信。在信號(hào)覆蓋范圍之外，經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn)多跳傳輸，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的間接通訊。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 多跳傳輸通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

nRF905無(wú)線通訊模塊要實(shí)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(zhǎng)度一致等。由于監(jiān)控節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)和很多傳感器節(jié)點(diǎn)通訊，本設(shè)計(jì)采用地址輪詢通訊模式，為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配不同的地址。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)多跳傳輸，必須要設(shè)計(jì)出合適的通訊協(xié)議。

結(jié)合nRF905自身通訊特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的無(wú)線通訊協(xié)議，其數(shù)據(jù)格式如下：

其中：SOD為信源節(jié)點(diǎn)地址；TYPE為幀類型；AID為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址；MID（0）…MID（2）為中間節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)

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

按需源驅(qū)動(dòng)路由是未來(lái)的發(fā)展方向，本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)源路由DSR。DSR協(xié)議包括兩個(gè)過(guò)程：路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)欲發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，它首先查看路由緩存器中是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，如果有則采用此路由，否則啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)程序。路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程使用泛洪路由（flooding routing）。路由維護(hù)過(guò)程是源節(jié)點(diǎn)用來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠癜l(fā)生變化的機(jī)制。一旦節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)需要使用的鄰接鏈路斷開，就會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由錯(cuò)誤信息。沿途轉(zhuǎn)發(fā)路由出錯(cuò)信息的節(jié)點(diǎn)收到路由錯(cuò)誤信息后也會(huì)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(diǎn)的具體處理過(guò)程如圖4所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A需要向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)，但不知道到節(jié)點(diǎn)D的路由，于是節(jié)點(diǎn)A就開始路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。源節(jié)點(diǎn)A向鄰居節(jié)點(diǎn)B和F廣播路由請(qǐng)求RREQ（route request），中間節(jié)點(diǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。如果節(jié)點(diǎn)接收到的RREQ消息中的路由記錄包括本節(jié)點(diǎn)的地址，則丟棄該RREQ。例如圖中節(jié)點(diǎn)F轉(zhuǎn)發(fā)RREQ時(shí)，節(jié)點(diǎn)A接收到RREQ就會(huì)丟棄。節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到路由記錄有重復(fù)，也會(huì)丟棄該RREQ。如圖4中節(jié)點(diǎn)B會(huì)把F轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ丟棄。經(jīng)過(guò)不斷的轉(zhuǎn)發(fā)，最終目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D將會(huì)收到RREQ。

DSR路由應(yīng)答的過(guò)程如圖5所示。目的節(jié)點(diǎn)D收到RREQ后，給源節(jié)點(diǎn)A返回路由應(yīng)答RREP（route reply），源節(jié)點(diǎn)A在收到目的節(jié)點(diǎn)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(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，都要先回復(fù)應(yīng)答ACK信號(hào)給其前一個(gè)節(jié)點(diǎn)，再轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中設(shè)置定時(shí)器，等待ACK信號(hào)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到ACK信號(hào)，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(méi)有收到ACK信號(hào)，則斷定下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為中斷節(jié)點(diǎn)[6]。該節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由錯(cuò)誤消息（route error），源節(jié)點(diǎn)將把該路由從路由緩存中刪除。如果源節(jié)點(diǎn)路由緩存中存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)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(guò)程。

4.3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過(guò)地址輪詢的方式和傳感器節(jié)點(diǎn)通訊，同一時(shí)刻一般只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)射狀態(tài)。系統(tǒng)初始化之后，通過(guò)上位機(jī)軟件可以控制監(jiān)控節(jié)點(diǎn)查詢傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送完指令后，進(jìn)入接收狀態(tài)，等待傳感器節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)。

傳感器節(jié)點(diǎn)初始化之后配置為接收模式，等待有效數(shù)據(jù)的到來(lái)。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(jī)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(diǎn)或?qū)⒈竟?jié)點(diǎn)助航燈的狀態(tài)上傳。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖6所示。

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

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

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)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(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，在300 m×300 m的空曠區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)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(gè)數(shù)可以改變，通過(guò)式（1）和式（2）分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)總負(fù)載。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(dòng)應(yīng)答使能的情況下，實(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)吞吐量為16kbps。

調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)負(fù)載，記錄監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(guò)表1中測(cè)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(shí)，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(guò)大時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)競(jìng)爭(zhēng)到信道資源，造成數(shù)據(jù)包隊(duì)列堆積過(guò)多包，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。該系統(tǒng)克服了人工巡檢方式的缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了助航燈光維護(hù)效率，保障飛機(jī)的安全起降。

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