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箭载无线传感网络关键技术与应用研究 密级公开硕士学位论文箭载无线传感网络关键技术与应用研究Research onkey Technologiesand Applicationsof Arrow-borne WirelessSensor Networks研究生姓名崔思阳学科专业仪器科学与技术导师姓名彭泳卿完成日期2019.3.17中国运载火箭技术研究院China Academyof LaunchVehicle Technology-I-摘要无线传感的科技目前在行业中有着举足轻重的意义，未来的使用前景是不可估量的。 到现在为止无线传感的科技慢慢涉及到智能交通、居家设备、智能医疗，工业生产，智能防灾以及军事应用等领域中发挥巨大的作用。 在航天领域，我国的与无线传感相关的研究工作还较为薄弱，在与国外相关技术的对比中在可靠性、低功耗技术和智能化和数据综合处理能力均存在较大差距。 同时需要对在箭载环境中无线传感网络应用的可行性进行分析论证。 本文在分析需求和具体明确了系统设计的目的后，提出了一套适用于箭体内环境参数测量的无线传感网络总体设计方案，该方案中包含十个无线测温节点、一个数据综合处理装置，实现了便捷、可靠、实时地监测环境参数的变化的设计目的。 在测温节点的硬件电路设计中，首先要考虑核心CPU芯片和射频芯片的选择。 本文选用了功耗较低、可靠性高的CC430芯片；并以CC430芯片为核心进行硬件电路的搭建。 包括设计了天线、电源和ADS1220测温模块。 并完成了PCB设计工作。 之后，在系统硬件电路设计的基础上，对此进行设备的升级和管理。 更加深层次的了解与对比ZIGBEE，simpliciTI等协议根本上，对simpliciTI协议完善与改进，形成节点序列与终端节点的系统管理，采用了冗余设计和实时监测工作，实现了测温系统组网和数据采集的工作。 最后，在完成测温网络设计的基础上，完成了系统测试工作。 主要进行了温度组网实验，实现了对十个节点所在区域温度参数的监测；并对节点功耗进行了实验，证明了节点的功耗满足在两年内不更换电池的条件下连续监测的要求。 然后通过实施信息的传递对错误编码的比率进行试验，然后得到最终的结论。 设计完成的无线测温网络具有低功耗、高可靠性等特点。 1绪论本章节主要是对本次设计与研究的技术背景做详细的阐述，对于无线传感器在人们生活应用领域的发展做详细的讨论研究，前半部分对其应用场景做系统阐述，后半部分则阐述其技术在国内外的发展、研究状况，包括像航天领域的应用及目前国内外在该领域上技术存在的优缺点。 1.1课题的研究背景及研究意义1.1.1课题的研究背景传感器是上世纪最具代表性的发明成果之一，其诞生无疑开创了一个新的传感器时代，在短短几十年的时间里，传感器技术不仅应用到科研与生产生活的各个领域中，而且对人类发展的轨迹产生了巨大影响。 自从20世纪70年代开始，传感器网络已经初现雏形并出现了各类发展思路。 最初的传感器网络仅仅是简单的将一些传感器节点利用线缆进行点点连线，通过节点网络来共享传感信息，并发送给主要接受端进行处理，这是早期的传感器网络的工作模式。 随着后期的芯片产业的不断进步与发展，并伴随着各类接口技术的出现和飞速发展，人们利用各类通讯接口将每个节点互相串联起来，形成更大规模的传感网络，这样就发展出了新一代的传感网络。 到了1990年后，得益于总线技术的迅猛发展，科研人员将其与更加智能化的传感器相结合，形成了更加快捷高效和更具规模的第三代传感器网络。 时至今日的传感器网络市场，已经逐渐形成了依靠分布式的多节点传感网络搭建的特点，形成一种更低功耗与更智能化的传感信息网络，依靠信息技术的传输方式，每个小的分布式集成点都能自主的产生自己小网络的组织，同时将信息传递给各个分布的其他网络节点，这样在整个覆盖网络区域都能更快、更智能、更敏捷的对周围环境做出感知。 无线传感网络思想最初在美国军方设计和生产的对苏联海军潜艇进行声呐探测和定位与搜集系统中体现。 在1980年前后，主要由国防部开始投入资金进行研究，由美国卡耐基大学和贝尔实验室牵头引导的“分布式传感网络”的试验研究，被公认为是具有现代意义无线传感网络的发展开端之作。 自从21世纪以来，无线传感技术已经引起了各国在该领域的研究热潮，并且热度未曾削减。 无线传感技术目前也被公认为在21世纪最有影响力、可以最大程度改变人类生活现状、提高人类生活质量、提高生产力的最关键技术。 xx年初，国外很多媒体开始争相报道这一高新科学技术的研究成果，斯肯森陆军中将高度评价无线传感网络技术的重要意义，并且将无线传感技术看作未来打赢信息化战争的关键之匙，并评述说无线传感技术正在引领各类军事应用技术的变革与发展。 在我国的xx年汶川地震以及xx年的青海玉树地震的灾后救援和重建工作中，该技术也得到了从分的利用，包括像在08年的奥运会、10年的世博会以及亚洲经济论坛会议上都使用了无线传感技术，同时这项技术在安保、感知检测、预警以及会场安防等很多领域都有着重要的作用。 随着近几年物联网技术的成熟发展，未来无线传感技术将在物联网领域做出突出的贡献。 如图1.1所示为现在已经成熟的农业监测及技术先进的灌溉系统。 图1.1农业大棚系统示意图Fig1.1Schematic diagramof agriculturalgreenhouse system目前，对于无线传感网络的研究视野已经逐渐从单个节点的软件与硬件设计和分层协议开发的初级阶段进入到面向具体需求与具体应用场景的整体方案解决阶段，目前更侧重于面向特殊应用场景与应用需求的系统开发与设计，以及对无线传感网络中的群体行为的研究，例如水下传感网络，车载传感器系统以及网络内部的信息处理与数据融合、覆盖寻址、分布式设计、能耗设计以及优化调度等解决方案研究。 无线传感网络在众多领域有着极其广阔的应用背景，例如军事目标探测与情报传递，自然灾害监测与预警系统设计，生物健康感知与数据监测，恶劣环境探测与危险警报，智能城市交通大数据分析与路线设计，物联网终端应用等等。 无线传感技术学科作为仪器科学与技术和计算机科学与技术两大学科的交叉研究领域，无线传感技术由于其变化多端的传感器终端节点设计、可量体裁衣采用的独特网络结构以及复杂多变的数据融合设计，不仅可以完成从现实世界当中感知与采集数据，并且可以实时地对数据进行分析和处理，从而在军用和民用的各个领域均可投入使用。 随着航天飞行器技术的飞速发展，在军用领域范围内，箭载测试系统的规模和复杂程度日益提高，电缆重量成为影响有效载荷的重要因素，且现役箭载测试系统在测点规模、测点灵活配置、线缆复杂布线、多参数集成测试和数据智能分析等方面难以满足未来复杂航天器多样化测试需求。 航天飞行器上搭载的测量系统分布着数量众多且不同种类的传感器节点，这些节点通过电缆网进行连接和传输数据，这样的测量系统具有电缆铺设范围较大，占据空间广而且重量大等特点。 同时在当前传感器测量方式以及测量布局限制的条件下，当临时增加测点或进行测点位置变动时，均需要对原来的电缆已应用配套进行更改甚至重新生产电缆，在总体设计中，还需要电缆布局进行重新设计和验证，并进行新增电缆的敷设，这不仅增加了整个实施环节的难度，同时也对系统运载性能造成呢个了很大的损失。 故在航天箭载领域，为解决传统方案中的这些缺陷与问题，需要利用无线传感网络替代原有测量方案。 在火箭环境中，其空间狭小并且电磁环境较为复杂，速变参数和缓变参数测量所需的空中传输速率和传感器的使用数量也不全部相同。 所以还要解决在复杂火箭环境中的无线数据稳定传输、高速实时传输和传感器数目便捷更改的问题。 本课题研制的无线传感网络根据箭载应用的迫切需求为背景，结合无线传感器的技术特点，针对性的进行无线传感网络的设计，具有较强的可实现性和火箭应用价值。 1.1.2课题的研究意义无线传感技术无疑是人类电子信息技术发展史中的又一次巨大跨越和重要里程碑式的发明成果，它已成为了新一轮全球经济与科技争锋的战略制高点。 无线传感网络替代原有有线传感网络，已成为连结现实世界与数字世界的重要纽带，人们可以根据广泛布置的无线传感器节点所收集的环境信息来感知整体环境的参数变化，人们可以从更微观的细节和更宏观的角度了解所观测对象发生的具体变化和其整体的行为信息等。 传感器节点小型化、对事物具有探测性、自动组网是无线传感网络的三个重要特性，这三个特点使得无线传感网络应用广泛化、功能专业化、灵活化和智能化的特点，在实际工程中使用起来也有很好的性能，对未来的网络化研究起着至关重要的作用。 无线传感技术在未来是火箭环境参数测量发展的重要技术支撑点，无线传感技术不仅可以解决现有的有线传感器节点总体布局困难和各个传感器安装位置受限以及更换维修节点难度较大等问题，还可以显著减轻目前火箭上复杂电缆网布局与敷设、电缆网整体质量较大等方面的缺陷与困难。 但是在火箭上该测量系统应用的论证工作仍然是一项艰巨任务，需要进行充足的理论分析，并进行充分的工程试验。 无线传感技术可以满足火箭上复杂多样的测量需求，同时对测量系统技术条件变更具有很好的适应性，这也是未来遥测遥控技术发展的主要趋势，工程领域运用将较为广泛，但目前我们仍旧需要对它的技术原理进行深入剖析，紧密结合火箭总体的测量需求进行技术改进，使得该项技术早日登上航天遥测系统的主舞台。 1.2国内外研究现状1.2.1国外发展现状无线传感网络思想最初在美国军方设计和生产的对苏联海军潜艇进行声呐探测和定位与搜集系统中体现。 1980年前后，在国防部支持下，由美国卡耐基大学和贝尔实验室牵头引导的“分布式传感网络”的试验研究，被公认为是具有现代意义无线传感网络的发展开端之作。 在20世纪末，无线传感技术考试走向民用领域。 家庭环境感知、农作物浇灌等应用纷纷从传统的以人为主走向自动化和智能化的无线传感时代。 在无线传感网络的发展过程中，无线传感器节点已经由传统的有线节点逐渐升级为具有感知周围环境能力，并且在基于网联网的通信机制上能够帮助人们完成更所的感应数据获取。 这无疑对人们未来智能化物联网家居的发展起着重要的作用。 不过由于早期的技术发展方向，以及当时技术条件的缺陷和视野限制，无线传感技术仍然主要应用和服务于军方需求，没有得到更大的普及与技术推广。 但是作为一项新兴技术，无线传感技术的理论体系建设相当成熟，并具有较为成熟的应用案例。 图1.2中所示为智能手机实时监测农业大棚传感器信息的画面。 图1.2手机端无线传感网络远程监控软件Fig1.2Mobile phonewireless sensorwork remotemonitoring software无线传感技术在21世纪之初已成为国际科学界的争夺制高点，引起了社会各界的广泛关注。 在xx年美国达拉斯举办的移动计算机与网络国际会议上，德裔科学家爱德华森提出了“无线传感网络将是新世纪发展新机遇”的看法，获得与会代表的一致认同。 美国国家研究机构投入了当量的资金与实验室来进行该技术的科学研究，根据统计，当年累计投入研究资金高达300多美元。 同年，美国的BUSINESS WEKKLY杂志专版讨论未来技术发展趋势时指出，无线传感技术是未来四大最有影响力的新技术之一。 在美国Defense today杂志认为无线传感技术将引领未来科技的发展，同时将以此为原点掀起新一轮军事变革并将彻底未来战争面貌。 xx年，美国IEEE SENSOR杂志专题发表文章The countryof sensor,论述了无线传感网络的发展趋势和广泛应用的可能性。 波士顿大学在xx年创建了传感器协会，以期能以此促进无线传感技术的理论探究与技术深度探索。 同时，美国与北约的军事部门都对无线传感技术的发展给予了高度关注，同期与俄罗斯等国展开了对无线传感技术科技制高点的争夺。 美国英特尔公司、微软公司等企业展开了无线传感方面的工作，并成立了相应的项目部以策动项目的尽快开展。 同期，日本、巴西等国家都大量的开展了对无线传感技术领域的研究工作，这一时期世界各国开发的主要项目包含“智能小虫”、Sensor Webs、Sensor IT(Sensor InformationTechnology，SIT)等，欧洲的第一届以无线传感为专题的会议也于xx年1月在德国首都柏林召开。 近十年以来，无线传感技术在国外的发展势头更盛。 在军事领域，在传统战争条件下，由于战场情况复杂，传统的由人来侦查战场领域情况的侦查方式已经不再适用，现在一批以无线传感技术为核心的信息获取方式可以更加精确廉价的获取战场情报；在反恐领域，以士兵和治安部队为主体的反恐手段反应迟缓，效率较低，容易造成士兵的伤亡。 法国和德国的反恐机构将无线传感网络技术应用于反恐问题，通过无线传感器实时感知的周围环境监测数据上传至相应基地，来有效遏制恐怖袭击，实现快速高效的反应如图1.3中所示，为目前已经发展成熟的智能灰尘无线传感节点。 在医疗领域，传统的由人来监测病人各项指标的护理方式正在向以无线传感技术为核心的监控设备进行改变，这减少了在护理过程中的意外突发概率，并且可以节省大量人力，以更加廉价高效的方式进行病患护理工作。 在环境监测领域，美国将无线传感技术应用在森林防火领域的技术已经成熟，利用无线传感网络来监测大面积的无人环境对防范重大突发灾害具有重大的意义。 图1.3军用无线传感节点“智能灰尘”Fig1.3.Military wireless sensor nodeintelligent dust基于无线传感网络技术的航天器测量系统在国外经过多年的研究和实践，已经获得了多项实际应用。 美国国家航空航天局（NASA）最早于1997年在航天飞机上验证了无线传感技术，用于无线传输热敏电阻的温度数据。 低功耗窄带宽的无线技术方案可使供电电池获得9个月的持续供电时间。 随着技术的逐步完善，无线传感技术在航天器微重力、振动、冲击、噪声、压力、过载等参数测量系统中获得了应用，如表1.1所示。 对于温度、湿度等缓变信号，由于采样速率较低，无线传感器可采用较长的时间周期发送测量数据，每周期内的平均功耗不高，因此可实现对测量结果的实时传输。 对于振动、冲击、噪声等高频信号，需要采用较高的采样速率，若对测量结果进行实时无线传输，射频收发器较高的平均功耗将使供电电池寿命难以满足任务需要。 因此对于高频信号的测量，NASA将无线传感技术和存储测试技术相结合。 测量前，通过无线控制指令设置传感器节点的触发值和时间同步控制，测量结果存储于无线传感节点内部的存储器。 需要查看测试数据时通过无线方式将结果读入数据终端进行数据分析。 而对于实时性要求较高的高频信号测量需求，传统的无线传感网络技术很难满足无线传感器长期工作的要求。 表1.1无线传感技术在NASA航天器中的应用Tab1.1.wirelesssensortechnology onNASA spaceprobe产品测量参数温度低频振动应变宽带三向振动宽带三向振动噪声无线频率915MHz900MHz916MHz900MHz900MHz916MHz体积/inch1.7dia1.23.02.01.1采样率1Hz1Hz500Hz20kHz20kHz100kHz数据同步否否是是是是数据存储无2Mbytes1Mbytes256Mbytes256Mbytes1Mbytes实时传输是是否否否否数据处理无无8bit MCU高速DSP高速DSP高速DSP触发方式无无内触发/时钟内触发/时钟内触发/时钟内触发/时钟电池类型Tadiran400mAhr BCX Lithium Tadiran1000mAhrLi-BCXLithiumEnergizer L912-AA BCXLithium电池寿命9个月10年2次飞行1次飞行1次飞行3年为监测航天飞机升空和降落过程中机翼结构的运行状态，NASA研制了振动、温度无线传感和数据智能分析系统，如图1.4。 图1.4航天飞机机翼振动、温度参数无线传感和智能数据分析系统Fspace craftwing unitparameter oftemperature andvibration在机翼每侧分别布置66支三轴加速度传感器和22支温度传感器实现对振动和温度参数的测量，各传感器的测量结果通过无线通信技术传输至中继器，无线传感技术不仅解决了在机翼狭小空间的繁杂布线问题，节约了空间和载荷资源，而且，由于没有线缆束缚可以根据任务需要灵活改变传感器节点数量，实现传感器的“即插即测”。 传感器侧的中继器将收集到的数据通过RS-485总线传输至乘员仓内的中继器，乘员仓侧的中继器再次通过无线传输将测量结果发送至计算机进行分析，实现了数据融合和机翼结构智能健康监测。 在该无线传感网络系统中，由于传感器所处的机翼内部和接收器所处的乘员仓均为密闭环境，对无线信号的传输具有显著的屏蔽作用，为提高可靠性，信号传输链路中通过RS-485总线连接两个密闭空间，因此，严格意义上讲该测量系统属于“准无线”传感网络系统。 在密闭空间环境下，无线信号较远距离的稳定传输问题，成为航天飞行器无线传感网络技术的一项重要研究内容。 国际空间站太阳能组件内部关键电子元器件的温度参数需要实时监控，为此设计了无线温度监控系统，如图1.5所示。 图1.5国际空间站太阳能组件无线温度监控系统Fig1.5.wireless temperaturemonitoring systemon ISS测量端的无线传输模块可采集8路RTD温度传感器数据，并将温度数据以无线通信的方式传输至乘员仓内的无线接收器，实现了温度参数的采集和无线收发。 为了使无线信号能够绕过障碍物遮挡进入乘员仓内的接收器，采用了较高的发射功率（200mW）和较低的无线频率（915MHz），使得无线信号不需经过中继器即可传输至乘员仓内的接收器。 国际空间站”Kibo”实验舱内采用了无线微重力测量单元以实现对空间微重力的测量，可以实现微g量级的测量分辨率，并将测量结果无线传输至中央综合处理单元，如图1.6所示。 图1.6国际空间站”Kibo”实验舱和无线微重力测量单元Fig1.6.experimental facilityand wirelessgravimetric stationon ISS图1.7为国际空间站结构应变和振动测量单元。 结构应变通常为缓变参数，对网络传输速率要求较低，可实时通过无线网络上传测量结果。 高频振动信号的测量需要采用较高的采样率，需要较高的无线传输速率。 对于实时性要求较低的振动测量，可将测量结果存储在传感器节点的存储器中，之后根据接收到的无线指令，将测量结果一次性上传至接收机，以降低对无线传输速率和传感器节点功耗的要求。 为应对振动信号测量时较高功率消耗问题，国际空间站振动无线测量单元采用Li-BCX电池供电，该电池具有较高的能量体积比，但在低气压、高温、冲击环境下存在诸如漏液、爆炸的风险。 图1.7国际空间站结构应变和振动无线测量单元Fig1.7.structural modelingand wirelessmeasurement onISS1.2.2国内发展现状国内的无线传感技术在研究与应用领域开始于xx年，得益于其后几年的国家科技发展战略的推动，该技术的发展一直处于全球领先水平，同时期的几个重大知识创新科研项目也为无线传感的研究与实际生产应用做出了重要的贡献，至xx年，我国已经完成了该技术的初期研究实践，首批基于无线传感的研究项目成果成功展出，后期国家加大了对无线传感的技术研究项目的资金投入，国家自然科学基金委员会也在该领域设立了多个重点科研项目。 xx年国内实际生产应用领域已经开始使用基于无线传感器的各类工具，主要的应用领域包括农业、工业与系统安防等。 同时期教育部也加快了国内高校无线传感的应用研究课程，开办了各类科学研究进校园的专题活动，将一些企业的研究项目带进校园实验室，帮助教学实践。 这大大推进了我国无线传感技术的发展，使得我国在无线传感研究科学氛围上有了优秀的学术基础，这也是继续发展技术的重要基础，同时也表明我国的无线传感技术已经处于国际领先水平。 在其后几年的科学战略发展中，我国也将继续推进无线传感技术在各个领域的发展，将它作为重要的科学研究方向进一步发展。 在国内，尽管无线传感网络在工业和消费电子领域已经逐步获得了实际应用，然而，箭载无线传感网络技术研究才刚刚起步，基本停留在简单系统集成和关键技术探讨阶段，还未形成有效、实用的技术，尚不能完全满足复杂航天器多样化测量任务需求，具体体现在以下方面在箭上严密遮挡、屏蔽、同频干扰等环境因素影响下，无线传输的可靠性和稳定传输距离与实际任务需求上存在较大差距；无线传感网络（包括无线收发器、传感器、变换器等）的微功耗技术水平难以满足长期、快速采样和高速率无线传输工况下，无线传感网络的长期工作要求；无线传感网络测量数据的智能分析、综合处理能力较低，火箭运行状态的分析、评估和安全预警能力有待进一步提高。 1.3本章小结在本章内容中，首先说明箭载无线传感网络课题的研究背景及研究意义。 说明了无线传感在发展过程中具有发展时间短但是发展时间速度快的特点。 并且也提到了无线传感器网络最主要的特征是规模大、具有多跳路由、动态性、以数据为中心。 在本章的第二部分则说明了课题的研究现状。 目前在国外无线传感网络已经由试验性质的网络逐渐发展为满足温度测量、振动参数测量、噪声参数测量的大规模实时高频信号测量需求的测量网络。 而在国内，由于起步较晚，发展基础薄弱，我国在箭载无线传感领域与国外相比存在较大差距，目前最突出的可靠性有一定缺陷，功耗能力也不是很高，智能分析等方面的功能都不是很完善。 2无线传感网络整体结构设计本课题为箭载无线传感网络研究，拟通过高可靠性无线传感网络技术，低功耗集成化传感和测量技术及时分复用的数字综合处理技术搭建无线传感网络替代原有箭载有线传感网络，并对无线传感网路的可靠性、实时性和环境适应性进行研究并针对存在的问题进行分析和解决。 目前，国内无线传感网络在诸多民用领域已有长足进步和发展，在无线传感网络的协议算法研究方面已经居于国际前列。 但是，在军用领域，相比于美国在越战时期已经采用智能灰尘作为无线传感节点的科技发展方向，我国无线传感网络研究更集中于在民用的非恶劣环境的使用方式，例如智能家居、智慧交通和科技农业等研究方向，真正在军品型号上部署带有试验性质的无线传感产品的案例仅仅发生在近五年的时间内并且发展严重不足。 具体来说研究具有着眼点不够具有前瞻性；对需求分析能力不足；可靠性设计和保障能力存在缺陷以及系统整体设计能力不高等缺点。 现在无线传感网络在航天行业的使用主要是在于网络的可靠性（丢包率和可靠性评估性能）、实时性和环境适应性。 论文在第二章、第三章和第四章也主要基于这三点原则展开对无线传感网络的设计工作，在第五章对无线传感网络的性能进行评估。 2.1系统设计的目的伴随着航天飞行器技术的飞速发展，在火箭环境监测领域，火箭内搭载的测试系统整体规模和元器件设计与布置的复杂程度日益提高，在火箭上搭载的电缆重量目前已成为影响有效载荷的重要因素，电缆重量往往远远超过传感器和变换器的质量总和，并且现在火箭上面安装的测试体系在测试的范围、测试设备的灵活性、线缆的复杂布线、多数据形成的测试与数据智能等很多内容，面对航天飞行器的多样的变化情况，传感器网络并不能实现其各种需求。 目前在火箭上搭载的测量系统分布着不同种类、数量众多的传感器节点，这些节点全部通过电缆连接，具有电缆铺设范围广、占据空间大、质量重等特点。 且由于很多方面的因素限制，每次进行新的测试点增加测试时，都需要更改在整个线路上的电缆布局，且整个结构的设计也需要增添新的设备来进行相应的调整。 这种不灵活的限制大大减低了工程可用性，所以就会给工作带来一定的影响，随之而来的是一系列的工作，对测量程序的灵活程度就会不利，对工程进度造成一定影响，同时对运载能力也造成一定消耗。 而作为解决传统火箭箭体内传感器网络重量过大、线缆复杂、安装空间拥挤、灵活性欠缺等问题的解决方案，毫无疑问的是无线传感网络的技术一定有无限的未来发展前景。 在本设计中需要考虑火箭内部具有空间狭小、多遮挡环境和电磁环境复杂的特点，速变参数和缓变参数所需的空中传输速率和传感器使用数量也不尽相同。 需要解决的问题主要包括在火箭舱内复杂环境中的无线网络数据稳定传输问题、高速率实时传输和无线传感网络节点数量增减的问题。 无线传感网络技术是未来在火箭上测量环境参数数据的重要发展方向之一，这项技术的高速发展不仅可以解决现有的传感器安装位置受限及更换维修困难等使用问题，同时还可显著缓解电缆网络布局困难、整体重量较大等方面的压力。 同时，在运载火箭飞行过程中应用无线传感网络技术，环境适应性是我们应该关注的最主要问题。 箭上力学、热学、电磁环境复杂，怎样将小型、集成性高的传感器、变换器灵活分布在舱段内，并能耐受住箭上各项环境考验，是该技术最先需要考虑的问题。 本课题研制的无线传感网络根据箭载应用的迫切需求为背景，结合无线传感器的技术特点，针对性的进行无线传感网络的设计，使本系统具有较强的可实现性和火箭应用价值。 2.2系统需求由以上的分析和描述可知，应用于火箭环境中的无线传感网络节点需要具有如下功能与特性 （1）传感器设计的节点具备的能力是可以对传感器四周的环境有一定的感知情况。 互联网里的终端节点（总计有10个）需要建立传感器，对环境的数据情况进行收集和。 （2）无线传递信息功能。 互联网里面的节点能够通过无线的方法相互连接，出阿迪数据和信息。 （3）动态组网。 互联网能够增加或者减少节点，实现在同一个网路协议下对所有节点加入和退出网络实现灵活有效管理。 （4）数据处理能力。 设计的网络节点具有对数据进行简单处理的功能，来降低上传的信息，从而更好的减少互联网的压力。 （5）网络中节点的软件程序设计中满足低功耗要求，可以满足2年以上的连续时间工作要求。 2.3系统整体设计为了有效的获取飞行和贮存时的环境参数，箭载环境测量系统通过很多个温度、热流、压力等方面的传感设备、还有振动传感器以及相应的变换器等用来感知环境。 现役主流的传感器变换器采用了电缆网供电和有线连接的方法来完成供电和信号传播。 图2.1现有弹/箭环境测量典型系统构成示意图Fig2.1.rocket environmentmeasure ofwirelesssensorwork now图2.1为现有在火箭上环境测量的典型系统构成示意图，图中所有传感器和变换器均通过电缆直接或间接连接至采编器，采编器对各路测量传感器输出的模拟信号进行采集后，通过数据接口输出至中心程序器，中心程序器处理完毕后，数据最终通过箭上遥测天线发送给地面设备。 现有测量传感器均采用有线供电和信号传输，传感器可分为一体化传感器和分体式传感器，一体化传感器将敏感元件和变换电路封装在一个结构内，分体传感器需要和变换器通过电缆连接后一起使用。 传感器变换器之间的电缆一般较短，一体化传感器或变换器到采编器之间的电缆一般较长，由于内部含有多路信号线和电源线，电缆往往比较粗大，有时电缆总重量甚至超过传感和变换器的重量。 且如果需要增加或更换新的测量节点，需要重新设计生产电缆和对箭上电缆网进行重新布局，对型号进度造成严重影响。 箭载环境测量的实时无线传感网络具有以下特点火箭环境测量传感器绝大部分安装在密闭空间，空间狭小，普遍存在路径遮挡、干扰等应用环境，需要采取相应的措施解决无线信号在此环境下的可靠传输；在火箭飞行过程的极短时间段，对传感器测量的数据要求实时性高，飞行过程的无线信号传输速率要求高；在火箭除飞行以外的其他阶段，对实时性要求较低，但要求能够判断产品状态，需区分两种状态，实现网络产品的工程管理；对某一个具体应用型号，其测量节点的数量、种类、安装位置均为事先确定的，可以通过硬件架构的优化来提高火箭环境测量的实时无线传感网络的可靠性。 为了保证无线传感网络的可靠性设计要求，拟采用原理如图3.2的箭载环境测量的实时无线传感网络硬件架构，无线传输均选用小于1GHz的无线信号，这样就能够保证无线信号的绕射能力不会因为高频短波而被消耗，这里的低频相比高频无线传感网络，具有优良的火箭密闭空间环境适应能力，从电磁波传输的基本原理上保证了无线传感网络的可靠性。 图2.2箭载环境测量的实时无线传感网络架构图Fig2.2.rocket environmentmeasure ofwirelesssensorwork ontime箭载环境测量的实时无线传感网络由一个数据综合处理装置和多个传感器节点组成，其中传感器节点可分为单路传感器节点和多参数传感器信号节点，单路传感器节点仅完成单一传感信号的采集，采用电池供电，多参数传感器节点可连接多个传感器，但采取集中变换，数据处理后通过一个天线发送给数据综合处理装置。 数据综合处理装置是整个箭载环境测量的实时无线传感网络的主控装置，其主要完成控制传感器节点、接收传感器节点数据、数据处理、接收上级控制命令、上传最终数据等功能，数据综合处理装置采用外部电源供电。 图2.3数据综合处理装置原理框图Fig2.3numerical controlequipment elementsframe图2.3为数据综合处理装置原理框图，最关键的是通过电源、无线接收