用于飞机数据网络的无线数据集中器的制造方法
【专利摘要】用于飞机数据网络的无线数据集中器。在此描述的实施方式提供了用于飞机的数据网络的四信道无线数据集中器(WDC)。WDC的一个实施方式包括印刷电路板(PCB)和控制器。所述控制器电连接至所述PCB的上表面，并且接近所述PCB的中心线。所述WDC还包括电连接至所述PCB的所述上表面的四个射频(RF)收发器，这四个射频收发器围绕所述控制器彼此正交地设置。每一个RF收发器与测量所述飞机的环境的至少一个无线传感器通信。所述WDC还包括沿所述PCB的所述上表面制造的四个倒F型PCB迹线天线。每一个倒F型PCB迹线天线电连接至所述四个RF收发器之一，并且围绕所述控制器彼此正交地设置。
【专利说明】
用于飞机数据网络的无线数据集中器
技术领域
[0001] 本公开设及无线网络领域，并且具体来说，设及飞机的机载无线网络。
【背景技术】
[0002] 现代飞机系统随着时间的过去正变得越来越复杂。运种增长的复杂性已经导致对 监测运种系统的健康和操作的增长希望。虽然在传感器的总数较低时，严格的有线方法是 可行的，但现代飞机可能利用监测飞机中的各种系统的成百甚或几千传感器。然而，路由并 维持与运种大量传感器的物理有线连接变得不实用。
[0003] 为支持飞机上的数量增长的传感器所利用的一种解决方案是使用无线传感器。在 不存在将每一个传感器反向布线至集中式数据监测系统的障碍的情况下，无线传感器可W 遍布飞机随意分布。在飞机中使用无线传感器允许飞机设计者在监测飞机的各种机载系统 方面更自由。
[0004] 在飞机中使用的典型无线传感器是出于许多理由而按短程操作的低功率装置。一 个理由是，希望由无线传感器所生成的RF传输不干扰飞机的操作。另一理由是，可供无线传 感器使用的RF频谱不受限。相反地，仅有限数量的无线信道可用于支持几百或几千无线传 感器的数据通信活动。例如，基于电气和电子工程师协会(IEEE)802.15.4标准的无线传感 器在欧洲被限制成868.0-868.6兆赫兹(MHz)频带下的一个信道，在北美被限制成被限制成 902-928MHZ频带下的=十个信道，W及在世界范围被限制成2400-2483.5MHz频带下的十六 个信道。
[0005] 由于飞机设计者希望数量增长的无线传感器，因而，重要的是，有效利用有限的RF 资源，并且向无线传感器提供进入飞机的数据网络的网关。
【发明内容】
[0006] 在此描述的实施方式提供了用于飞机的数据网络的四信道无线数据集中器。该无 线数据集中器能够与飞机的机载无线传感器通信，并且向该数据网络的应用服务器提供通 过所述无线传感器生成的、有关该飞机的环境的测量数据。该无线数据集中器还能够支持 到无线传感器的冗余无线连接，W改进数据网络的可靠性。
[0007] -个实施方式是用于飞机的数据网络的无线数据集中器。所述无线数据集中器包 括:印刷电路板(PCB)，该印刷电路板具有上表面和下表面;和控制器，该控制器电连接至所 述PCB的所述上表面，并且接近所述PCB的中屯、线。所述无线数据集中器还包括电连接至所 述PCB的所述上表面的四个射频(RF)收发器，运四个射频收发器围绕所述控制器彼此正交 地设置。每一个RF收发器与测量所述飞机的环境的至少一个无线传感器通信。所述无线数 据集中器还包括沿所述PCB的所述上表面制造的四个倒F型PCB迹线天线。每一个倒F型PCB 迹线天线电连接至所述四个RF收发器之一，并且围绕所述控制器彼此正交地设置。所述控 制器从所述至少一个无线传感器接收有关所述飞机的所述环境的传感器数据，并将所述传 感器数据提供给所述飞机的所述数据网络的应用服务器。
[0008] 另一个实施方式是用于飞机的数据网络的无线数据集中器。所述无线数据集中器 包括PCB和控制器。所述控制器电连接至所述PCB。所述无线数据集中器还包括电连接至所 述PCB的四个射频(RF)收发器，运四个射频收发器围绕所述控制器设置。每一个RF收发器与 测量所述飞机的环境的至少一个无线传感器通信。所述无线数据集中器还包括制造到所述 PCB中的四个倒F型PCB迹线天线。每一个倒F型PCB迹线天线电连接至所述四个RF收发器之 一，并且围绕所述控制器彼此正交地设置。所述控制器从所述至少一个无线传感器接收有 关所述飞机的所述环境的传感器数据，并将所述传感器数据提供给所述飞机的所述数据网 络。
[0009] 另一个实施方式是用于飞机的数据网络的无线数据集中器。所述无线数据集中器 包括控制器。所述控制器电连接至PCB。所述无线数据集中器还包括电连接至所述PCB的四 个射频(RF)收发器，运四个射频收发器围绕所述控制器设置。每一个RF收发器与测量所述 飞机的环境的至少一个无线传感器通信。所述无线数据集中器还包括制造到所述PCB中的 四个PCB迹线天线。每一个PCB迹线天线电连接至所述四个RF收发器之一，并且围绕所述控 制器彼此正交地设置。所述控制器从所述至少一个无线传感器接收有关所述飞机的所述环 境的传感器数据，并将所述传感器数据提供给所述飞机的所述数据网络。
[0010] 上面的
【发明内容】
提供了对本说明书一些方面的基本理解。该
【发明内容】
不是本说明 书的广泛概述。其目的不是确定本说明书的关键或重要部件，也不是描绘本说明书的任何 范围特定实施方式，或权利要求书的任何范围。唯一目的是按简化形式介绍本说明书的一 些概念作为稍后介绍的更详细描述的开头。
【附图说明】
[0011] 下面，仅通过示例的方式，并且参照附图，对一些实施方式进行描述。相同标号在 所有图上表示相同部件或相同类型的部件。
[0012] 图1例示了在示例性实施方式中的实现无线传感器网络的飞机。
[0013] 图2是示例性实施方式中的用于飞机的简化数据网络的框图。
[0014] 图3是示例性实施方式中的用于飞机的数据网络的无线数据集中器的框图。
[001引图4是示例性实施方式中的、图3的无线数据集中器的等距视图。
[0016] 图5例示了在示例性实施方式中的、用于图4的无线数据集中器的连接器。
[0017] 图6例示了在示例性实施方式中的、用于图4的无线数据集中器的上侧RF屏蔽部。
[0018] 图7例示了在示例性实施方式中的、用于图4的无线数据集中器的下侧RF屏蔽部。
[0019] 图8例示了在示例性实施方式中的、用于图4的无线数据集中器的RF透明天线罩。
[0020] 图9例示了在示例性实施方式中、用于图3的无线数据集中器的"睡莲叶（Iily- pad)"设计。
【具体实施方式】
[0021] 附图和下面的描述例示了具体示例性实施方式。由此，应当清楚，本领域技术人员 能够设计各种排布结构，其尽管在此未明确地加W描述或示出，但具体实施运些实施方式 的原理并且包括在运些实施方式的范围内。而且，在此描述的任何示例都旨在理解运些实 施方式的原理，并且要被视为不限于运些具体陈述的示例和条件。结果，本发明构思不限于 下面描述的【具体实施方式】或示例，而是通过权利要求书及其等同物来限制。
[0022] 图1例示了在示例性实施方式中的实现无线传感器网络的飞机100。在该实施方式 中，飞机100包括数据网络（图1中未示出），该数据网络从许多无线传感器(图1中也未示出） 收集有关飞机100的传感器信息，W实现监测飞机100上利用的各种机载系统。
[0023] 随着现代飞机发展多年而成为相当复杂的系统，在尝试W物理方式布线可能希望 分布在整个飞机100上的大量传感器至飞机10的机载数据网络时出现问题。导线将重量和 复杂性添加至飞机100,并且导线由于中断、短接等而成为飞机100的可能故障源。尽管希望 飞机10上包括几百或几千机载传感器，但运样做W重量和可靠性为代价。为此，无线传感器 已经作为针对在飞机100实现大量机载传感器的复杂性和重量缺陷的一种可能解决方案而 出现。该无线传感器可W遍布飞机100分布，因为它们不再受限于到飞机100的机载数据网 络的反向物理连接。然而，虽然到飞机100的机载数据网络的反向RF链接消除了有线数据连 接，但管理运种到数据网络的大量反向RF链接可能存在问题。
[0024] 例如，不实用的是，实现可W将众多无线传感器连接至数据网络的单个RF网关，因 为运种网关将被分派任务W负责管理将被运种大量无线传感器利用的几百或几千无线连 接。而且，在飞机100上典型机载使用的无线传感器是具有有限范围的低功率装置。运是为 了确保无线传感器不干扰飞机100的机载系统的操作。更进一步地，典型地可用于运种无线 传感器的RF信道通常受限。例如，如果该无线传感器遵循IE邸802.15.4规范，则基于世界上 飞机100在运转的地方，仅有限数量的RF信道可用。I邸E802.15.4当前将RF信道的数量在世 界范围内限制使用十六个。因此，需要实现在整个飞机100上分布的许多短程无线数据集中 器，所述集中器被用于与可W在飞机100上机载实现的无线传感器的总数中的更小部分通 信。该数据集中器、或无线数据集中器皆与飞机100上的机载无线传感器的总数中的某一更 小子集通信，集中并协调到飞机100的机载数据网络的反向传感器数据流。
[0025] 图2是示例性实施方式中的用于飞机100的简化数据网络200的框图。在该实施方 式中，网络200包括一个或更多个四信道无线数据集中器(WDCH02,尽管在网络200的该简 化视图中仅例示了一个WDC 102。该实施方式中的WDC 102经由RF与一个或更多个无线传感 器104通信。例如，WDC 102可W与利用可供世界范围使用的十六个IE邸802.15.4RF信道中 的四个信道的无线传感器104通信。尽管图2仅示出了四个无线传感器104,但WDC 102不限 于与正好四个无线传感器104通信。例如，WDC 102可W利用时分复用、RF信道重新指配、调 制技术等来有效地同时或接近同时地与任何数量的无线传感器104通信。由此，可W与WDC 102通信的无线传感器104的数量可W是无线范围、RF信道容量、处理能力等的函数。
[0026] 在该实施方式中，无线传感器104测量飞机100的各种机载条件，并且向WDC 102提 供测量结果。可W通过无线传感器104测量的数据的类型的一些示例包括:溫度、湿度、振 动、声级、飞行控制面的位置、压力、阀位置、引擎参数等。运些只是可W通过无线传感器104 测量的几类数据，而且本领域技术人员应当认识到，无线传感器104包括能够通过无线链接 向WDC 102提供测量数据的任何组件、系统、或装置。
[0027] WDC 102通过（多个)RF链接与各种无线传感器104通信，并且经由网络200的数据 骨干网106来集中或整理(collate)用于向网络200的应用服务器108发送的测量数据。作为 设计选择的问题，骨干网106可W包括任何有线或无线网络。可W被WDC102用于与骨干网 106通信的有线接口的一些示例包括W太网（包括W太网供电（POE)实现）、通用串行总线 化SB)、光纤接口等。可W被WDC 102用于与骨干网106通信的有线接口的一些示例包括IE邸 802.11、1邸￡ 802.15.4、811161:〇〇1:11等。
[00%]网络200的应用服务器108接收并处理通过无线传感器104捕获的数据，W供在监 测飞机100的机上环境时使用。例如，应用服务器108可W向飞机100上的机组人员呈现有关 在整个飞机100上捕获的多个传感器点的信息，如飞机100的货舱压力、货舱的溫度、飞机 100上的客舱溫度、针对飞机100的轮胎压力测量等。应用服务器108还可W管理针对WDC 102的RF信道分配，基于WDC 102所支持的RF链接的数量来向WDC 102指配RF信道。例如，应 用服务器108可W查询WDC 102, W确定所支持的RF链接的数量，可W利用被WDC 102所支持 的RF链接的数量等来预设计，并且基于被WDC 102所支持的RF链接来向WDC 102分配RF信 道。如果例如WDC 102支持四个RF链接，则应用服务器108可W基于该信息向WDC 102指配信 道，确保WDC 102不被指配同一 RF信道两次，其将会造成干扰。而且，WDC 102可W基于限制 WDC 102与可能是附近WDC 102的其它无线数据集中器之间的RF干扰的算法而被指配RF信 道。运允许应用服务器108实现在整个飞机100上的无线连网策略。
[0029] 图3是示例性实施方式中的用于飞机100的网络200的WDC 102的框图。在该实施方 式中，WDC 102包括印刷电路板(PCB)300和安装至PCB 300的控制器302。控制器302管理WDC 102与无线传感器104之间的RF链接，整理（collate)通过无线传感器104恢复的传感器数 据，并将该传感器数据提供给应用服务器108。为此，控制器302可W利用能够执行运种功能 的任何系统、组件、或装置。虽然控制器302的具体硬件实现经受设计选择，但一个特定实施 方式可W包括与存储器306连接的一个或更多个处理器304。处理器304包括能够执行功能 的任何硬件装置。处理器304可W包括一个或更多个中央处理单元(CPU)、微处理器、数字信 号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)等。处理器的一些示例包括：Iruel" Core?处理器、 Advanced Risk Machines(arm?)处理器等。
[0030] 存储器306包括能够存储数据的任何硬件装置。例如，存储器306可W存储通过无 线传感器104恢复的传感器数据作为存储的一部分，并且转发无线传感器104与应用服务器 108之间的处理。存储器306可W包括一个或更多个易失性或非易失性动态随机存取存储器 (DRAM)装置、闪存装置、易失性或非易失性静态RAM装置、硬盘驱动器、固态盘(SSD)等。非易 失性DRAM和SRAM的一些示例包括电池支持DRAM和电池支持SRAM。
[0031] 在该实施方式中，WDC 102还包括电连接至控制器302的四个RF收发器310-313。收 发器310-313通过RF链接与飞机100的一个或更多个机载无线传感器104通信。为实现WDC 102与无线传感器104之间的RF链接，RF收发器310-313可W利用能够实现与无线传感器104 的RF数据交换的任何系统、组件、或装置。RF收发器310-313的一个示例包括IE邸802.15.4 兼容RF收发器，其在根据IE邸802.15.4标准定义的一组RF信道内操作。RF收发器310-313 可W接收来自处理器304的命令和控制指令，W实现与无线传感器104的RF链接。运种指令 的一些示例包括:RF信道指配、比特率设置、调制设置、纠错协议、RF发送功率电平设置等。
[0032] 在该实施方式中，WDC 102还包括每一个均电连接至RF收发器310-313之一的四个 PCB天线320-323。在运个实施方式中，PCB天线320-323是迹线天线，并且被制造在PCB 300 上。例如，在一些实施方式中，PCB天线320-323可W是倒F型PCB迹线天线，其是孔径天线的 形式。倒F型天线包括地平面、上臂、W及地平面与上臂之间的短路针，运在远离短路针的位 置处形成开放端。在上臂与地平面之间连接源激励。RF偏振是垂直的，并且福射图案接近环 形，该环形具有沿垂直方向的轴。PCB天线320-323包括能够利用制造在PCB 300上的迹线来 发送和接收无线电信号的任何系统、组件、或装置。
[0033] 尽管图3中图示的具体装置的布局和相对位置是一设计选择事项，但下列图和相 关讨论将例示图3的部件之间的各种关系的一些可能示例。然而，不是旨在将WDC 102仅限 制成随后讨论中的具体示例。
[0034] 图4是示例性实施方式中的WDC 102的等距视图。在该实施方式中，PCB 300包括上 表面402和下表面404。控制器302接近PCB 300的中屯、线406地电连接至PCB 300的上表面 402。围绕控制器302沿周向地定位的是RF收发器310-313，RF收发器310-313也电连接至PCB 300的上表面402。在运个实施方式中，RF收发器310-313彼此正交并且围绕控制器302设置。
[0035] 围绕RF收发器310-313周向地定位的是PCB天线320-323，PCB天线320-323沿着PCB 300的上表面402利用PCB迹线来制造。收发器310-313中的每一个都电连接至附近的RF收发 器310-313。在运个实施方式中，PCB天线320-323彼此正交并且围绕控制器302设置。RF收发 器310-313和/或PCB天线320-323的正交排布结构最小化了彼此呈现的RF干扰。在运个实施 方式中，PCB天线320-323沿着PCB 300的外边缘定位，并且RF收发器310-313定位在PCB天线 320-323与控制器302之间。
[0036] 在一些实施方式中，位于相邻RF收发器310-313之间和/或相邻PCB天线320-323之 间的区域408可W没有PCB迹线。运可W减小相邻RF收发器310-313和/或相邻PCB天线320- 323之间的干扰。在其它实施方式中，PCB 300可W通过去除区域408来制造，运形成了十字 形结构。
[0037] 在WDC 102被布线至骨干网106的情况下，可W将连接器安装至PCB，W提供电气信 令路径。该连接器还可W将电功率连同数据信令一起提供给WDC 102。例如，该连接器可W 针对骨干网106与WDC 102之间的W太网连接来运送电力、接地、W及信令。图5例示了在示 例性实施方式中的用于WDC 102的连接器502。在该实施方式中，将连接器502沿着中屯、线 406并且接近控制器302地安装至PCB 300的下表面404。为清楚起见，控制器302已经从该视 图去除。连接器502将控制器302电连接至应用服务器。
[0038] 在可选实施方式中，可W将RF屏蔽部添加至WDC 102, W提供包围控制器102和RF 收发器310-313的屏蔽。该RF屏蔽部可W在PCB 300的上表面402和/或PCB的下表面404上。 图6例示了在示例性实施方式中的用于WDC 102的上侧RF屏蔽部602。在该实施方式中，屏蔽 部602是金属，包围控制器302和RF收发器310-313，并且暴露PCB天线320-323。图7例示了在 示例性实施方式中的用于WDC 102的下侧RF屏蔽部702。在该实施方式中，屏蔽部702是金属 的，并且沿着PCB 300的下表面404包围用于RF收发器310-313和控制器302的PCB迹线。PCB 300的下表面404上的、接近PCB天线320-323的区域不被屏蔽部702覆盖。屏蔽部602和屏蔽 部702能够将控制器302和/或RF收发器310-313与通过PCB天线320-323生成的RF场隔离。
[0039] 在另一可选实施方式中，可W将RF透明天线罩添加至WDC 102, W向安装至PCB 300的上表面402的组件提供机械保护或机械屏蔽。图8例示了安装至PCB 300的上表面402 的RF透明天线罩802。天线罩802包围控制器302、RF收发器310-313、W及PCB天线320-323。
[0040] 利用四信道RF无线电设计，WDC 102能够向无线传感器104提供进入骨干网106的 有效网关。该四信道设计是空间的有效使用，在飞机100上是保险的，并且还有效使用RF资 源。WDC的四信道设计允许更少的数据集中器被用于从无线传感器104向应用服务器108传 递传感器数据的任务，并且还通过允许飞机100的机载WDC 102的其它实例共用同一无线传 感器104来提供冗余措施。例如，飞机100的机载WDC 102的S个不同且独立的实例可W与同 一无线传感器104通信，由此，提供用于从无线传感器104获取传感器数据的=重故障冗余 度。
[0041] 图9例示了在示例性实施方式中的用于WDC 102的"睡莲叶"设计。在该实施方式 中，PCB 300被制造成睡莲叶形状，并且控制器302处于PCB 300的中屯、，而RF收发器310-312 连同PCB天线320-323-起接近一组安装孔902地定位。在运个视图中，天线罩802遮掩控制 器302、RF收发器310-313、W及PCB天线320-323。连接器502沿着中屯、线406被安装至PCB 300的下表面404。
[0042] 附图中所示或在此描述的各种部件中的任一个都可W被实现为硬件、软件、固件、 或者运些的某一组合。例如，部件可W被实现为专用硬件。专用硬件部件可W被称为"处理 器"、"控制器"、或某一类似术语。在通过处理器提供时，运些功能可W通过单个专用处理 器、通过单个共用处理器、或者通过多个单独处理器来处理，其中一些可W共用。而且，明确 使用的术语"处理器"或"控制器"不应被解释为排它地指能够执行软件的硬件，而可W在无 限制的情况下隐含地包括:数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC) 或其它电路、现场可编程口阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储 器(RAM)、非易失性存储装置、逻辑、或某一其它物理硬件组件或模块。
[0043] 而且，可W将部件实现为可通过处理器或计算机执行W执行该部件的功能的指 令。指令的一些示例是软件、程序代码、W及固件。该指令可在通过处理器执行时操作，W指 引该处理器执行该部件的功能。可W将该指令存储在可通过处理器读取的存储装置上。该 存储装置的一些示例是数字或固态存储器、诸如磁盘和磁带的磁存储介质、硬盘驱动器、或 光学可读数字数据存储介质。
[0044] 尽管在此描述了【具体实施方式】，但是本发明的范围不限于那些【具体实施方式】。相 反地，本发明的范围通过随附权利要求书及其任何等同物来限定。
【主权项】
1. 一种装置，该装置包括： 用于飞机的数据网络的无线数据集中器，所述无线数据集中器包括： 印刷电路板PCB，该印刷电路板具有上表面和下表面； 控制器，该控制器电连接至所述PCB的所述上表面，并且接近所述PCB的中心线； 电连接至所述PCB的所述上表面的四个射频RF收发器，所述四个射频收发器围绕所述 控制器彼此正交地设置，每一个射频收发器均被配置为与测量所述飞机的环境的至少一个 无线传感器通信；以及 沿所述PCB的所述上表面制造的四个倒F型PCB迹线天线，每一个倒F型PCB迹线天线均 电连接至所述四个RF收发器中的一个，并且围绕所述控制器彼此正交地设置， 所述控制器被配置为从所述至少一个无线传感器接收有关所述飞机的所述环境的传 感器数据，并将所述传感器数据提供给所述飞机的所述数据网络的应用服务器。2. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述无线数据集中器还包括： 连接器，该连接器接近所述PCB的所述中心线地连接至所述PCB的所述下表面，所述连 接器将所述控制器电连接至所述应用服务器。3. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述无线数据集中器还包括： RF透明天线罩，该RF透明天线罩被配置为以机械方式屏蔽所述PCB的所述上表面。4. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述无线数据集中器还包括： 接近所述PCB的所述上表面的金属屏蔽部，该金属屏蔽部被配置为包围所述RF收发器 和所述控制器并且暴露所述倒F型PCB迹线天线。5. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述无线数据集中器还包括： 接近所述PCB的所述下表面的金属屏蔽部，该金属屏蔽部被配置为包围用于所述RF收 发器和所述控制器的PCB迹线并且暴露所述PCB的、与所述倒F型PCB迹线天线相邻的所述下 表面。6. 根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括： 所述至少一个无线传感器。7. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述至少一个无线传感器被配置为测量所述环境 的温度、所述环境的压力、以及所述环境的振动中的至少一个，并且将至少一个测量结果发 送至所述无线数据集中器。8. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述控制器被配置为将所述至少一个测量结果转 发至所述应用服务器。9. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述RF收发器经由电气和电子工程师协会IEEE 802.15.4RF信道与所述至少一个无线传感器通信。10. 根据权利要求1所述的装置，其中，每一个所述倒F型PCB迹线天线沿着所述PCB的外 边缘定位。11. 根据权利要求9所述的装置，其中，在每一个所述倒F型PCB迹线天线之间的、沿着所 述PCB的所述外边缘的区域没有PCB迹线。12. 根据权利要求11所述的装置，其中，所述PCB按十字形的形状制造，每一个所述倒F 型PCB迹线天线位于所述十字形的四个端部之一。
【文档编号】H04L29/08GK105979611SQ201610140104
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】S·G·戴姆, Y·M·易卜拉欣
【申请人】波音公司