旋翼飞行器及控制技术联合实验室（基于无线传感器网络）

旋翼飞行器及控制技术联合实验室（基于无线传感器网络）部署于监测区域的具有不同探测功能的传感器节点构成了该模型的第一层，与传统传感器仅仅发送感应数据不同，此类传感器具有自主性功能，它自身携带电池，对感应数据进行检查，仅当数据超过门限值或故障发生时候才会发送。为了更好的资源整合，具有相应关联的传感器节点构成了簇（cluster），每个簇都由相应的簇头（cluster head）和多个簇内成员构成。第一层 无线传感器网络（WSN）是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术，通过部署在监控区域的大量微型传感器节点，实时监测，采集信息，对其进行处理和传输。网络中的节点可能由于电池能量耗尽或故障从网络中退出，也可能是按照设定的程序退出，WSN能自动调整适应节点的移动、加入和退出，且采用多跳路由技术来实现较远距离节点传输。同时由于网络节点数量众多，因此要求无线传感器具有网络链

摘要：无线传感器网络技术应用于飞机健康监测系统中，可减少系统的重量和成本，增加系统的灵活性，还可以快速布局和监测数据，实时传输动态信息，可以使飞机健康监测和故障诊断技术相结合，推动航空维护技术的发展。基于这一理念，提出了用于飞机健康监测的无线传感器网络模型，并对可能存在的问题进行分析。

关键词：无线传感器网络，健康监测系统，网络模型

传统飞机上的飞机健康监测系统都是基于遵循相应的总线协议的有线网络实现的，但通过电缆链接的检测技术势必会增加飞机的重量和维修成本，降低测试系统的灵活性和可维护性。无线传感器网络（WSN）是一种新型的信息获取和处理技术，与传统有线网络相比，WSN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、人员难以接近区域和一些临时场合的状况进行检测，为现有飞机健康监测存在问题提出了一种新的解决方法。

1、WSN

无线传感器网络（WSN）是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术，通过部署在监控区域的大量微型传感器节点，实时监测，采集信息，对其进行处理和传输。网络中的节点可能由于电池能量耗尽或故障从网络中退出，也可能是按照设定的程序退出，WSN能自动调整适应节点的移动、加入和退出，且采用多跳路由技术来实现较远距离节点传输。同时由于网络节点数量众多，因此要求无线传感器具有网络链路以及采集数据的冗余特性来保证整个系统的可靠性和容错能力。

(3)对于可靠性要求高的信号，如果网络拥堵，可能产生数据丢包现象。

3、层次网络模型

第一层

部署于监测区域的具有不同探测功能的传感器节点构成了该模型的第一层，与传统传感器仅仅发送感应数据不同，此类传感器具有自主性功能，它自身携带电池，对感应数据进行检查，仅当数据超过门限值或故障发生时候才会发送。为了更好的资源整合，具有相应关联的传感器节点构成了簇（cluster），每个簇都由相应的簇头（cluster head）和多个簇内成员构成。

第二层

簇头（Cluster Head）构成了该模型的第二层。

大量的传感器节点被用于提供监测信息的精确统计特性，但节点能量有限不能直接与无线访问节点通信，就需要有效整合传感器节点资源。通过将相关联的节点进行组合，根据相应的路由算法计算出一个簇头，来构成相应的簇组。簇头询问和收集传感器采集的信息以及对收集的信息进行优化，如减小冗余度、优化通信损耗等。

第三层

模型中的第三层包括无线访问节点（Access Point）和中央数据处理库（Central Data Repository）

(a)无线访问节点（Access Point）

簇群中的传感器安装是有一定距离间隔的，为了更好实现不同的簇头与中央数据处理库之间的通信，需要在两者之间设置相应的访问节点。

(b)中央数据处理库（Central Data Repository）

中央数据处理库自身包含的飞机健康监测算法可以有效的分析和计算接受来自节点的数据，判断故障是否产生及产生机理，从而实现对飞机健康状态的有效监测。

该模型中提供两种类型的通信方式，当簇头询问簇内节点相关信息或簇内节点探测相关信息时，簇内通信产生；当作为中继节点的簇头传输相关信息至最近的无线访问节点时候，簇间通信产生。这两种类型的通信方式占用ISM不同的频段以避免冲突。AP和传感器节点基于不同的传输协议，前者遵循IEEE802.11，后者遵循IEEE802.15.4。在WSN中引入适配层可以有效地支持相同网络下WLAN和WSN的工作，对此文献4有详细的讨论。

4、所面临的问题

（1）通信可靠性

电磁环境、气候以及网络的抗干扰能力能都可能影响WSN通信的可靠性，其中最严重的是网络传输延迟和数据包丢失。

（2）机载WSN专用频带

基于安全性能以及机载通信、导航、监视设备以及可能安装的客舱无线网络对WSN都会产生干扰的考虑，WSN需要有相应的机载专用频段。

（3）电源

使用传统的电池技术来满足WSN的供电不仅增加了系统的尺寸和重量，也限制了WSN的服务寿命从而需求更昂贵的维护。WSN中节点应采用尽可能多的方法从环境中吸取能量，以确保传感器能够长期、可靠、稳定的工作。现阶段流行的方式是在采用能量收集技术自主产生电能来满足传感器的供电需求。通过能量收集技术以及苛刻的电源管理技术，WSN可以自由的实现维护功能，文献6和文献7对此有详细的讨论。如果某种情况下能量收集技术失效则利用机载汇流条供电。

（4通信协议

由于WSN内的传感器节点携带电源有一定的事件寿命，节点自身的计算、存储和通信能力有限，各节点只能采集特定区域的数据，通过簇头汇总经过AP访问，这要求节点间的通信协议不能太复杂。同时，WSN拓扑结构具有的动态变化属性和使用环境的变化，传感器节点配置情况和随机形成的网络拓扑也不同，WSN使用的通信协议应该适应坏境的变化。

（5）WSN的认证

目前，对于WSN在机载安全苛求系统上的使用，FAA还未指定相应的评估和认证体系，因此需要有相应的评估体系来完善WSN机载标准。

5、结论

针对现今飞机监测系统测量参数众多和布线复杂等问题 利用无线传感器网络技术提出一种解决这些问题的系统模型。飞机健康监测WSN实现故障监测和飞机状态管理等功能，通过无线传输的方式将采集的飞机状态参数传给用户端，通过计算机对监测结果进行定性、定量分析，判断飞机有无故障以及恶化程度，以便决定是否维修，从而减少维修事件、降低维修费用，为飞机的故障诊断和维修提供了可靠的科学依据。

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