基于无线传感器网络的飞机状态监测系统

文章编号：1671—4598(2010)11—2481—04中图分类号：TP212；TN919 文献标识码：A 基于ZigBee无线传感器网络的飞机状态监测系统 张 莹1．张国强2 (1．高比特电子有限公司，福建厦门 361006；·2．西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129) 摘要：应用基于ZigBee的无线传感器网络技术设计新型的飞机状态监测系统，实时监测飞机的T作状态，为解决传统监测技术的高 成本、高功耗、灵活性差、不便于维护等同题提供了新的解决办法，拓展了无线传感器网络的应用领域，经初步的监测实验证明，本系 统已具备振动、温度、湿度、光照强度等状态监测功能，在室内存在障碍的情况下，两节点问有效传输距离为30m，并可通过路由器多 跳的方式进行扩展，证实了飞机状态监测无线传感器网络系统的有效性。 关键词：飞机状态监测；无线传感器网络；ZigBee WirelessSensorNetworkSystemBasedon ZigBeeforAircraftConditionMonitoring ZhangYin91，ZhangGuoqian92 (1．Hi—BitEleetronicsCO．Ltd，Xiamen361006，China； 2．SchooIofElectronicsandInformation，NorthwesternPolytechnicslUniversity，Xi’an710129，China) Abstract：Thewirelesssensornetwork(WSN)technogolybasedonZigbeehasbeenappliedinaircraftconditionmonitoringdesign，pro— videdanewsolutiontotheproblemsoftraditionaltechnologywhichishigh—cost，high—power。poorflexibility，anddifficulttomaintain andextendedapplicationfieldsofWSN．Thepreliminarymonitoringexperimentsprovesthatthissystemhastheabilitiesofmonitoringvibra— tion，strain，illumination，temperatureandhumidity；Insidetheroomwithobstacles，thecommunicationdistantcebetweentwonodesis 30m，andcanbeextendedbyroutes．TheseresultsprovethevalidityoftheWSNsystemofaircraftconditionmonitoring． Keywords：aircraftconditionmonitoring；wirelesssensornetworks；ZigBee 0前言 飞机状态监测技术的应用贯穿于飞机设计、制造、使用和 保障的全过程，为了保障飞机安全可靠飞行，避免飞机飞行过 程中出现重大事故以及减少一般事故，必须采用先进的监测手 段，实时监视飞机的工作状况，并在设计、维护等方面采取有 效。传统的飞机监测技术采用电缆把各种类型传感器所采 集的数据进行传输，而现代飞机结构复杂、工作环境多变、所 需监测的参数种类多，采用传统的监测技术势必会增加飞机的 重量和成本，降低测试系统的灵活性和可维护性，从而制约我 国飞机项目以至航空工业的发展。无线传感器网络是一种新型 的信息获取和处理技术，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、 分布式信息处理技术和无线通信技术，通过部署在监测区域的 大量微型传感器节点，协作地实时监测，感知和采集各种环境 或监测对象的信息，并对其进行处理和传输u]。与传统的有线 传感器网络相比，无线传感器网络具有耗资小、安装方便、维 护和更新费用低等优势，非常适用于对布线困难、人员不能到 达的区域和一些临时场合的状况进行远程监测，为现有飞机状 态监测存在问题的解决带来了曙光。ThomasPecker等人设计了 用于飞机结构健康的监测自主式传感器节点，对飞机的疲劳状 况、损伤状况以及结构压力进行监测[z]。Benson等人设计无线 通信模块与各种类型的传感器连接，组成一个ad—hoe网络， 对飞机发动机的状态进行监测『3】。本文在已有的研究基础上， 收稿日期：2010一05—14；修回日期：2010—06—24。 作者简介：张莹(1983一)，女，工学学士，主要从事数字电子技 术，无线传感器网络等方向的研究。 将基于ZigBee的无线传感器网络及新型MEMS传感器结合应用 于飞机状态监测方面，开发出通用的新型飞机状态监测无线传 感器网络系统，解决传统监测系统布线困难、灵活性差和耗电 量高等问题，实时监测飞机工作状态，为飞机事故分析及故障 诊断等提供充分可靠数据。本系统还具有驾驶舱内部环境监测 功能，为驾驶员及旅客提供安全舒适的乘机环境。 l 基于zigBee的无线传感器网络概述 无线传感器网络是由大量部署在监测区域内的具有感知、 计算和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式构成的网络， 能够根据环境自主完成监测、目标发现、识别与跟踪等任务。 适用于无线传感器网络的无线通信技术种类众多，如Bluetooth、 wi—Fi(IEEE802．11)、REID、ZigBee等“]。其中ZigBee (IEEE802．15．4)技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低 数据速率、低成本的双向无线通信技术，工作频段分别为 2．4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)。采用ZigBee技 术组建的无线传感器网络具有白组织和自愈功能，通信可靠， 并具有功耗低、网络容量大、成本低、覆盖范围广、时延短及 自动路由等特点，满足无线传感器网络所需分布式、自组织、 规模大和动态性强等要求，综合比较后选择ZigBee技术作为飞 机状态监测无线传感器网络系统的无线通讯技术。 2 系统总体方案设计 本文所设计的飞机状态监测无线传感器网络系统主要是借助 于粘贴(或嵌入)飞机结构中的传感器网络节点，在线实时地获 取与飞机结构健康状况有关的状态信息(如应力、应变、温度、 振动、损伤、意外冲击等)，为早期的结构故障进行预警，为离线 中华测控网 chinamca．tom 万方数据 ·2482· 计算机测量与控制 第18卷 故障诊断提供充分可靠的数据；以及获取飞机机舱内环境有关的 状态信息(如温度、湿度、光强、空气质量等)，为驾驶员以及旅 客提供一个安全舒适的乘机环境，保证他们的人身健康。 整个监测系统采用分布式结构，系统示意图如图1所示。上 层监控中心负责监测命令的下达，管理监测数据的分析、处理、 统计及评估，由安装在机舱中的带触摸屏的监视计算机、机载服 务器和终端计算机组成。驾驶员通过监视计算机观测飞机的各种 监测参数、趋势、状态综合、智能诊断结果等。机载服务器用于 存储观测到的大量状态信息，以及对数据进行实时的处理，将处 理结果传输至监视计算机。终端计算机可以有多台，具体个数可 根据无线传感器网络节点多少来设置，与机载网络服务器和监视 计算机共同构成一个星型网络。每台终端汁算机都带有无线传感 器网络汇聚节点，可以随时监控无线网络各节点检测的状态信息 以及管理控制一个无线传感器网络。整个监控中心还可通过宽带 无线网与地面计算机构成实时监测诊断远程网络化系统，实现信 息的共享。下层无线传感器网络部分由大量的无线传感器网络监 测节点及汇聚节点组成。监测节点负责监测节点所在区域的各项 飞机状态参数，比如温湿度、振动、光强等，所获得的数据信息 以无线、低功耗、多跳的通信方式传输至汇聚节点。汇聚节点连 接了无线传感器网络与监控中心，实现ZigBee与无线局域网 之间的互联，把收集的数据转发到监控中心，同时转发监测任务 给下级节点，是整个监测系统的咽喉部分[5】。根据系统的总体方 案，飞机状态监测无线传感器网络系统包括系统节点设计及系统 管理软件设计两方面。 图1飞机状态监测系统示意图 3 ZigBee无线传感器网络节点设计 无线传感器网络节点包括汇聚节点和监测节点。汇聚节点 由CC2431无线SoC芯片和C8051F340单片机组成，其硬件 功能框图如图2(a)所示。 CC2431是美国T1公司基于ZigBee无线通信协议的第一 代无线传感器网络系统芯片(SOC)解决方案。它内嵌入了高 性能和低功耗的8051微控制器核，能满足节点所需的处理能 力；集成了符合ZigBee的高性能2．4GHzDSSS(直接序 列扩频)射频收发器核心，具有优异的射频性能和低功耗的特 性，对于ZigBee网络节点能够提供充分的处理器带宽和存储 器空间，可确保短距离通信的有效性和可靠性，节省了选择射 频收发芯片的成本及时间；集成了14位模数转换ADC模块， 具有uART、SPI等丰富的接口资源，便于连接各种模拟及数 字传感器。CC2431的低功耗无线通信能力、高性能的处理能 力和诸多独特的设计使其成为分布式无线传感器网络节点微控 中华测控网 chinamca．com 《睇凰懿 ∞汇聚节点硬件功能框图 (b)泄聚节点实物照片 图2汇聚节点硬件功能框图及实物照片 制器方案的最佳选择之一。 C8051F340是SiliconLabs公司生产的完全集成混合信号 片上系统型MCU。它具有高速、流水线结构的8051兼容的微 控制器内核，最高执行速度可达48MIPS；全速USB功能控制 器，集成收发器和lkbFIFORAM，便于通过USB口与终端 计算机进行通信；具有内部电源稳压器，可直接通过USB接 口供电，无需外接电源芯片；精确校准的12MHz内部振荡器 和4倍时钟乘法器，无需外部晶振；多达64kB的片内Flash 存储器，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新系统固 件；在汇聚节点中，CC2431和C8051F340之间采用SPI通 信，C8051F340通过USB总线与终端计算机进行通信，实现 无线传感器网络和无线局域网之间的互联和转换。最终研制的 汇聚节点实物照片如图2(b)所示。 汇聚节点是无线传感器网络中重要设备，基本功能包括：组 建一个ZigBee无线传感器网络，允许其它监测节点加入网络，并 对整个网络进行管理；接收来自终端计算机的配置、监测等指令， 以无线的方式传输至指定的监测节点以进行监测参数的设置；收 集监测节点的状态信息和监测数据，传输至终端计算机进行数据 的分析、处理和保存。网络中各节点用16位网络地址唯一标识， 协调器可通过各节点的网络地址来判断该节点是否是本网络成员， 通过监控和配置网络中的各个网络节点来维护网络结构，保证 ZigBee网络的安全性。汇聚节点程序如图3所示所示。 (]匿二) ， [=窭匿二] t l组建网络 l 图3汇聚节点程序流程图 监测节点是无线传感器网络主要组成部分，一般要求体积 小、功耗低、适应性强并具有无线通信、采集和处理数据等功 能，由传感器模块、微控制器模块、2．4GHz天线、Flash存 储器模块和电源模块组成，系统框图如图4所示。 微控制器模块同样采用CC2431芯片，通过AI)c、12C、 南 万方数据 整!!塑 堡兰：篁!蔓!圣堕里!!垂堡箜壁叠堕笙塑!塑鉴查些型墨笙 ：!!!!： 图4监测节点系统框图 SPI等接口连接各种传感器，以完成监测数据的采集功能，并 在芯片内部对监测数据进行预处理，通过集成的高性能无线传 输模块进行数据的传输。CC2431还具有电池检测功能，可在 节点电池电量不足时报警。 天线性能的优劣直接影响通信性能，要求体积小、功耗 低、有近似全向性的辐射场型，且应该根据不同的应用需求选 择合理的天线类型。本设计选择PCB微带天线、微型陶瓷贴 片天线、外接2．4GHz天线3种不同形式的天线，提供不同场 合的应用。由于便于携带且具有免受机械和外界环境损害等优 点，内置天线通常是首选。PCB微带天线直接印制在电路板 上，无需花费额外的天线成本，体积小、性能也较好。本文采 用倒F型PCB天线，天线的形状和尺寸严格按照TI的参考手 册设计【6J，以保证天线最优的性能。微型陶瓷贴片天线选择 AN9520贴片天线，体积比PCB微带天线更加微小，仅为 9mmX2mm×lmm，价格便宜。外接2．4GHz天线采用SMA 接头天线，体积较大、价格昂贵，但通常没有尺寸限制且距离 节点中的噪声源较远，具有最好的传输性能。对于需要尽可能 大的距离、必须使用定向天线的应用来说是首选。 传感器模块主要完成对外部状态感知，根据具体应用，采用 小体积、测量精度高的双轴MEMS加速度传感器ADxI321设计 振动监测模块，监测飞机机翼和机身接口处的振动；采用电阻应 变片监测飞机机翼等关键部位的形变，然后通过专用信号调理芯 片将信号进行放大，校正偏移和温漂，进行AD转换后以数字信 号方式输出；采用SHTll温湿度传感器设计温湿度监测模块，通 过12C总线与微处理器进行通信，提供全量程标定的数字温湿度 输出；采用TsL2550光照传感器设计光照监测模块，该传感器集 成了两个光电探测器，分别用于检测环境的总光照度以及红外光 照度，减小红外光的影响，通过SMBus总线输出与人的肉眼所感 觉十分相似检测结果。温湿度和光照模块分别用于检测机舱内部 的温湿度和光照情况，保证机舱内的舒适度。 ZigBee理论传输速率为250kb／s，无法满足动态采样数据 (如振动)传输的要求，本设计选择2GB的TF卡作为动态数 据的存储器，由CC2431控制将动态数据暂存于TF卡中，等 网络空闲时进行数据传输及处理工作。TF卡与CC2431之间 采用接插件通过SPI接口连接，便于拆卸，对于无需进行动态 数据采样的节点可选择不安装TF卡以降低节点功耗。 电源模块是无线传感器网络监测节点的必备基础模块，直 接关系到节点的寿命、成本、体积和设计复杂度。本设计的节 点通常采用3．7V手机锂电池供电，但如果附近存在7～27V 直流电源，则优先选择使用外接电源供电。同时，可使用外接 电源为锂电池充电，以保证节点电池电量充足。另外，监测节 点长时间处于无人守护的环境中，工作环境通常比较恶劣，而 且数量大，充电和更换电池都比较困难，所以电源模块还应具 备电源管理功能，对节点电量消耗进行控制，尽量减小节点功 耗，延长寿命。本文采用LTC3555多功能电源管理芯片设计 电源管理模块，能够把从电源输入端口所获得的几乎全部功率 都输送至负载，从而使产生的功率损失和热量极少，快速完成 对锂离子电池的充电；通过芯片集成的3个同步降压型稳压器 同时输出三个3．3V电压分别对本系统中的微处理器模块、 Flash存储卡和传感器模块进行供电管理，并通过12C接口控 制3个稳压器的通断，无任务时关闭传感器以及Flash存储器 的电源，实现节点的低功耗设计。 本文在设计每个功能模块时尽量选择微型器件使得节点安 装飞机关键部件上而不影响其正常工作。其中各模块的尺寸 (长×宽)分别为：电源模块3cmX3．5cm、微处理器模块4cm ×3．5cm、传感器模块2cm×1．3cm。设计的各个功能模块按 接插件组合连接的方式可减少整个测试节点的尺寸，总尺寸 (长×宽×高)为4cm×3．5cm×1．2cm。 监测节点的应用程序采用事件轮循的机制，当初始化完毕之 后，系统进入低功耗模式，事件发生时，唤醒系统，开始进入事 件处理程序，结束后继续进入低功耗模式，这种软件构架可以极 大地降级系统的功耗。本设计中监测节点处理的主要事件有指令 解析与处理事件、温湿度监测事件、光照监测事件、应变监测事 件以及振动监测事件。监测节点主程序流程如图5所示。 图5 监测节点主程序流程图 4无线传感器网络管理系统设计 无线传感器网络节点采集的所有数据最终将发送到监控中 心，为了实现监控中心对整个网络的管理，本文设计了无线传感 器网络管理系统。管理系统要求具有良好的容错性能和人机界面， 直观的反应所监测的飞机状态信息，能根据用户的要求配置监测 参数与采集的信息，控制对应的设备运行，并能对所有的监测数 据进行统一的存储和管理，便于后续的数据离线处理。飞机状态 监测无线传感器网络管理系统功能结构如图6所示。 5状态监测实验 为证实系统的可行性，已在实验室内部成功进行了节点组 网，状态数据监测，数据存储传输等实验。由于实验条件及项目 完成情况限制，目前并未进行实际飞机状态监测实验。图7为节 中华测控网 chinamca．com 万方数据 ：!!!!： 堕篁塑型里皇丝型 篁!!鲞 图6网络管理系统结构图 6 结论 针对现今飞机状态监测系统测量参数多和布线难的问题，利 用ZigBee无线传感器网络技术设计出新型的飞机状态监测系统， 实现了无线传感器网络的组建、状态监测和无线传感器网络管理 等功能，减少了飞机的布线，增加了监测系统的灵活性和可维护 性。本系统经完善后，可以无线传输的方式实时地将采集的飞机 状态参数传给用户端，通过定位技术可迅速查找出故障的部件， 实现飞机状态的实时监测；利用计算机快速强大的计算功能和存 储功能，对监测结果进行理论计算和统计分析，判断飞机有无故 障及性能的恶化程度，以便决定是否需要进行维修，避免过剩维 修，延长飞机的使用寿命，减少维修时间，降低维修费用，为飞 《 籍 芝 篝 琶 鬓 诊断和维修提供了可靠的科学的理论依据。 [1]陈丹，郑增威，李际军．无线传感器网络研究综述[J]．计算机 测量与控制，2008，4． [2]ThomasBecker，MartinKluge，JosefSchalk，eta1．Autonomous SensorNodesforAircraftStructuralHealthMonitoringEJ]．IEEE SENS()RSjoURNAL，2009，9(11)：1589—1595． [3]Benson，Dwayne，MandBAI，Haowei．Aircraftenginesensornet— workusingwirelesssensorcommunicationmodules[P]．USPatent (wo／2005／096571)。2005，10：723—1180． 图7实验窜内部状态监测值 L4J蒋挺，赵成林．鬃蜂技术及其应用LMJ．北京：北京邮电大学 山●lE}L9n“a 掌在妻续51：芝空所监型到的毫验孳内部鉴妻兰掣值。实跫孽明．， [5]马m建／l“仓-r．t．：彭6v锦vv涛,，张国强，等．飞机状态监测无线传感器网络系统 本系统已具备振动、温度、湿度，光照强度等状态监测功能，在 [J]．测控技术，2009，11． 室内存在障碍的情况下，两节点间有效传输距离为30m，并可通 [6]DN00072．4GHzInvertedFAntenna[z]．TexasInstruments 过路由器多跳的方式进行扩展，基本达到系统要求指标。 Corp． 罅垡咭阳巩只蚋嘣也‰旦蚋嘈b％乒蚋嘧哩％鼻驴渺渺尊曲渺：是非舯渺渺博蛐湘钆#鲫嘲嶂钆#驷埘嚏‰宴驰嘻惶‰宴蚋q随乳且蚋嗡啦乳罩妇诤豆9诤豆5b鼬如掣拶诤驰谁蚋棹壁b站睁嘏坐吲u％薯哆漳曲甜日如越睁漳业漳蚋磷哩％甚哆谁孵钳L蚋噜I够漳9} (上接第2480页) 纤维含量(％) 以上分析结果明，在180℃，纤维含量15％，成型压 力2MPa，保温时间2．OOh的条件下，复合材料的成形性最 好，与真实试验结果和文献[4]中结论相符。因此利用所建 支持向量机模型在复合材料力学性能预测的基础上对注塑成型 工艺参数进行优化是可行的，它能大量减少工艺试验次数，降 低材料的研发成本，并满足实际t业需要。 4 结束语 本文提出了一种基于支持向量回归的复合材料力学性能预 测方法，实验结果表明，支持向量机可以很好地对复合材料力 中华测控网 chinamca．corn 学性能进行预测，对于优化成型工艺参数具有可行性，在材料 性能研究领域有着较好的应用和推广价值。需要指出的是，影 响复合材料力学性能的工艺参数很多，且关系错综复杂，因 此，为达到目标力学性能，可能需要同时调整多个工艺参数。 如何平衡各个参数间的关系，还需要进行大量的理论和实验研 究。由待生产材料的目标力学性能，实现反向优化工艺参数的 预报，其精度可以满足生产的需要。更进一步，如果能实现在 线控制，则可以极大地提高复合材料产品的质量。 参考文献： [1]刘春廷．材料力学性能[M]．北京：化学工业出版社，2009． [2]朱永光，郭朝霞，于建．基于神经网络的PP／CaC03复合材料 的力学性能预测[J]．塑料。2005，34(6)：66—70． Is]程起有，童小燕，姚磊江，等．基于神经网络的复合材料胶接修 补参数优化[J]．计算机仿真，2008，25(12)：205—207． [4]邹戈，姚正军，李超，等．用RBF神经网络预测材料力学性 能的研究[J1．计算机与应用化学。2007，24(10)：1397—1400． [5]VapnikV．Thenatureofstatisticallearningtheory[M]．New York：Springer--Verlag，1995． [6]冯磊，王宏力。侯青剑，等．层次聚类LSSVM在模拟电路故障 诊断中的应用[J]．计算机测量与控制，2009。17(2)：296—298． [7]邓乃扬，田英杰．数据挖掘中的新方法——支持向量机[M]．北 京：科学出版社，2004． [8]刘太安，杨柏翠，杨晓东．Lagrange支持向量回归机算法研究 [J]．计算机工程与设计。2007，28(14)：3295—3296． ^壁壶v掣罩掌一 万方数据