基于nRF24L01+的飞行器状态监测系统研究

张月魁 姜 祝 吴永红 蔡惠华 高小强

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

飞行器在运输、存储、飞行过程中需要对其各种状态进行监测用于判断飞行器的健康状况。飞行器需要监测的状态包括振动、冲击、温度、湿度、气压等。以往状态监测使用的传感器多采用有线方式连接至采集装置，电缆数量多，布线复杂，导致飞行器增加了负担，降低了有效载荷的携带能力。将传感器的数据传输方式变更为无线方式将可有效改善这一问题。

目前的无线传输方式包括ZigBee、WIFI、蓝牙等方式，其中ZigBee技术在飞行器状态监测中使用广泛。但ZigBee的传输速度较慢，有效数据的传输速度实测在24Kb/s左右，当需要采集频率较高的冲击数据时，该技术不能保证数据传输的有效性，需要在数据处理时采用相应算法对欠采样的数据进行处理，甚至可能无法得到有效的结果。WIFI、蓝牙具有高的数据传输速率，但功耗较高，在飞行器状态监测中使用较少。nRF24L01+是一款工作于ISM频段的无线单片收发芯片。该芯片的体积小、功耗低(0dBm功率发送数据时，电流为11.3mA，空气传播速率2Mbps时，接收电流为13.5mA)，传输速度适中(空气中传播速率最快2Mbps)，适合应用于低功耗、中等速度的飞行器状态监测系统中。

本文以nRF24L01+为无线传输核心芯片，设计了一种采用无线方式传输状态数据的飞行器状态监控系统，实现了飞行器冲击、振动、温度、湿度、气压的监测。

2 系统总体结构

系统总体结构如图1所示。

图1 飞行器状态监控系统总体结构图

状态监控系统由三部分组成：数据读取计算机、主节点、各状态监测子节点。数据读取计算机通过USB(TTL电平)转换器监控或读取主节点的状态监测数据。主节点通过无线方式获取各状态监测节点的状态数据。状态监测节点完成状态数据的获取。

3 硬件设计

3.1 数据读取计算机选型

数据读取计算机可使用工控机或笔记本电脑，由于系统仅用于数据监测或读取，不需要过高的配置，除运行系统必要的资源外，运行监控软件只需512MBytes内存和512MBytes硬盘存储空间即可。

3.2 主节点硬件设计

主节点以微控制器为核心，通过SPI接口分别与nRF24L01+和FLASH存储器通信，完成无线数据传输和数据存储。其结构如图2所示。

图2 主节点硬件结构图

主节点微控制器选择STM32F103RET6，其采用ARM公司Cortex M3内核，运行时钟可达72MHz，内部集成FLASH存储器和SRAM，可在不扩展外部存储的情况下，完成最小系统的搭建，内部资源及接口丰富，具有3个SPI硬件接口，接口最快时钟频率为18MHz，具备4种工作模式，满足节点对控制器硬件的需求。

FLASH存储器采用W25N01GVZEIT，其容量为128MBytes，可通过SPI接口与外部进行数据交换，数据读写速度快且功耗低至82.5mW，可进行100000次擦写，所存储数据可以保存10年以上，满足本设计对容量、速度和功耗的要求。

无线数据传输芯片的有效数据传输速度实测最大值为440kb/s，由于系统采用非标准协议进行数据传输，为减轻数据拥塞及CPU负担，主节点使用两个nRF24lL01+进行数据传输，充分利用了微控制器的SPI接口。

3.3 状态监测节点硬件设计

状态监测节点同样以微处理器为核心，通过SPI接口与nRF24L01+通信完成数据的传输，通过模拟或数字接口连接传感器，获取状态数据，如图3所示。

图3 状态监测节点硬件结构图

状态监测节点的微控制器同样采用STM32F103RET6，该款单片机内部集成了模数转换器和SPI等数字接口，符合节点对微控制器的要求。

系统对飞行器的以下状态进行监测：冲击、振动、温度、湿度、气压。其中，冲击、低频振动传感器输出的是模拟信号，需要经过信号调理电路后由微控制器内部的ADC进行数据采集。高频振动、温度、湿度、气压传感器的输出为数字信号，由微控制器的SPI或数字接口进行数据采集。各传感器的技术指标如表1所示。

从表1中可以看出，数据传输速度相对最大数据传输速度有较大裕量，因此各状态监测节点中只需1片nRF24L01+即可保证数据的传输。而在主节点中，nRF24L01+_1负责与冲击状态监测节点进行通信，nRF24L01+_2负责与其它状态监测节点进行通信。

表1 飞行器状态监测参数技术指标

4 软件设计

本部分按照状态监测数据采集、传输、存储和读取的顺序说明系统软件的工作过程。

4.1 状态监测节点软件设计

状态监测节点负责状态数据的采集并将数据传输至主节点。状态监测节点软件包括主函数、无线芯片中断处理函数，定时器1中断处理函数和定时器2中断处理函数。函数的工作流程如图4所示。

图4 状态监测节点程序流程图

主函数负责数据的整体处理流程。节点上电后，微控制器首先对自身的系统资源进行初始化，包括GPIO口、定时器、SPI接口、USART接口的初始化。其次，程序对所使用的的变量进行初始化，对中断资源进行配置并打开相应中断。最后，主函数在是否处理nRF24L01+中断、是否切换nRF24L01+收发状态、是否复位nRF24L01+三个状态之间不断进行切换，完成相应工作。

nRF24L01+接口有IRQ引脚，用于指示nRF24L01+中断的状态，在IRQ引脚拉低后，程序触发nRF24L01+中断，在中断处理函数中，程序仅置位相应标志，中断的处理则放置在主函数中。触发nRF24L01+中断的事件有三类，数据发送完成、数据接收完成和数据重传完成。nRF24L01+以32个字节数据为一帧进行传输，当数据传输完成时触发数据发送完成中断，此时程序判断是否还有待发送帧以决定是否继续传输。数据接收完成中断在主节点发送数据请求命令时产生，当状态监测节点收到命令后，开始数据的传输。数据重传中断发生在通信质量不佳的情况下，此时需要重传数据并开始通信质量不佳的计数，当通信质量持续不佳时，将nRF24L01+复位为数据接收状态。通信质量不佳除通信信号弱的原因外，还有可能是由于主节点和状态监测节点同时处于发状态造成的。

nRF24L01+收发状态的切换在以下情况发生：当接收到主节点的数据请求命令后，nRF24L01+的状态由收变为发；当向主节点发送完64帧数据后，nRF24L01+的状态由发变为收。

当nRF24L01+处于空闲状态时间过长时，nRF24L01+复位为收状态，以保证节点间轮询时间过长或发生其它未知错误时，nRF24L01+始终处于接收主节点数据请求命令的状态。

定时器1中断用于节点计时及传感器数据的采集。状态监测节点具有自身的时间基准，同时在接收的主节点数据帧中包含主节点的时间信息，两者结合能得到整个系统的统一时间标准，节点的计时周期为1ms。当到达数据采集的时间结点时进行数据采集，由于每次数据采集的时间最多在10us左右，因此数据采集放在中断程序中执行。

定时器2中断用于收发及复位状态的计时。节点设置了收发状态转换时的中间态，用于保证数据收发时序的正确执行，减少主节点和状态监测节点同时处于发状态的几率。中间态由定时器2进行计时。当节点由收状态经中间态到达发状态时，由定时器2程序开始第一帧首字节数据的传输。同时，定时器2还有类似看门狗的功能，当数据收发时间过长，不能定时清零定时器2的复位计数时，复位设置被执行，状态监测节点回到收状态。

4.2 主节点软件设计

主节点负责轮询各状态监测节点数据并将数据存入FLASH存储器，同时，数据可通过串口被数据读取计算机读取。根据系统使用环境的不同，主节点的工作模式可设置为命令启动数据采集或上电启动数据采集。当飞行器处于运输、存储环节时，系统可设置为命令启动数据采集，此时数据读取计算机可以向主节点发送开始数据采集命令，主节点可向数据读取计算机定时发送数据，使系统的工作状态受控。当飞行器处于飞行环节时，系统可设置为上电启动数据采集，此时，主节点FLASH中存储的数据将在飞行器飞行结束后，由工作人员将主节点取回并由数据读取计算机读取数据。主节点软件可分为主函数、定时器1中断处理函数和定时器2中断处理函数。函数的工作流程如图5所示。

图5 主节点程序流程图

主函数负责数据的整体处理流程，包括两个nRF24L01+的轮询策略以及FLASH数据存储。节点上电后，微控制器对系统资源、使用的的变量进行初始化，对中断资源进行配置并打开相应中断。随后，主函数在是否处理nRF24L01+_1/2中断、是否切换nRF24L01+_1/2收发状态或复位、是否向FLASH中写入数据三个状态之间不断进行切换，完成相应工作。

nRF24L01+_1/2中断同样是由IRQ引脚触发，在中断处理函数中，程序仅置位相应标志，中断的处理放在主函数中。nRF24L01+_1/2的中断事件类型与状态监测节点一致。nRF24L01+_1/2的发送完成中断发生在数据请求命令传输完成之后。nRF24L01+_1/2的接收完成中断发生在接收一帧监测数据之后，当接收到64帧数据之后，置位相应标志，nRF24L01+_2还需进行状态监测节点的切换。数据重传中断发生的nRF24L01+_1/2复位，将nRF24L01+_1复位为发送冲击状态监测数据请求命令，将nRF24L01+_2复位为发送高频振动状态监测数据请求命令。

nRF24L01+_1/2收发状态的切换在以下情况发生：当接收到状态监测节点的64帧数据后，nRF24L01+_1/2的状态由收变为发；当向状态监测节点发送完数据请求命令后，nRF24L01+_1/2的状态由发变为收，nRF24L01+_1/2收发状态转换同样有过渡的中间态。

当nRF24L01+_1/2处于空闲状态时间过长时，nRF24L01+_1/2复位，复位后的状态与重传中断一致。

向FLASH中写入数据的条件是节点接收到完整的64帧数据并且节点处于收发转换的中间态。为提高读写效率并延长FLASH的使用寿命，FLASH读写为页读写。所用FLASH存储器中一页包含2048字节，nRF24L01+的一帧数据包含32字节，因此以64帧为一个完整读写单位。对于温度、湿度、气压三种数据采集慢的状态监测节点，有效数据为60字节，其余字节为无效数据，以避免该类节点长时间无数据写入。

定时器1中断用于节点计时，计时周期为1ms。

定时器2中断用于nRF24L01+_1/2收发及复位状态、状态监测节点切换的计时。主节点收发状态转换时的中间态由定时器2进行计时。当节点由收状态经中间态到达发状态时，由定时器2程序开始数据请求命令的传输。同样，定时器2有复位计时功能，复位状态与前述一致。当主节点向某状态监测节点索要数据时间过长时，主节点认为通信出现问题或状态监测节点本身出现问题，此时进行节点切换，以保证其他状态监测节点的数据传输不受影响。

4.3 数据读取软件设计

数据读取软件用于向主节点发送开始数据采集命令、监控网络运行状态和主节点存储数据的读取。数据读取软件由面向对象语言C#开发，开发环境为Visual Studio 2010，软件界面如图6所示。

图6 数据读取软件界面

该软件包含两部分功能：当飞行器处于运输或存储状态时，软件可以监控系统运行状态，此时图形以每2k字节抽取固定数据显示监测结果；当飞行器处于飞行状态后，软件只能以后处理方式读取FLASH中存储的数据，并以图形方式显示。图6是存储状态下，各状态监测节点的数据情况。图中，冲击值在0到1之间漂移是由模拟量采集后进行数字化造成的，冲击值只有飞行器受到大的冲击(飞行或击中目标)时才有意义；振动部分为1g的值表示垂直地球表面的重力加速度；气压、温度、湿度值分别为0.1Mpa、26℃、49(46)%，其表示当前的存储环境为常规状态。可见，所设计系统实现了飞行器状态的有效监测。

5 结束语

针对飞行器状态监测的实际需求，设计了包含数据读取计算机、主节点、状态监测节点架构的状态监测系统，实现了飞行器的状态监测，为飞行器状态监测方式的发展提供了一种有效可行的解决方案。