引言

　　飛機的油液監(jiān)測是利用油液分析技術對飛機使用的潤滑油和液壓油進行綜合分析，以獲得飛機發(fā)動機的潤滑和磨損情況以及液壓系統(tǒng)的使用情況，進行油液分析可以有效地監(jiān)測飛機的發(fā)動機、起落架、襟副翼和尾翼等關鍵部件的使用情況，檢查并預測飛機的故障，保證飛行的安全。

　　1 油液分析方式方法與現狀

　　油液分析技術又稱為設備磨損工況監(jiān)測技術，是一種新型的設備維護技術，它利用油液所攜帶的設備工況信息來對設備的當前工作狀況以及未來工作狀況做出判斷，從而為設備的正確維護提供了有效的依據，達到預防性維修的目的。目前，油液分析技術主要有油液性能分析法、污染度分析法和磨粒分析法3 種方法。

　　根據油液樣品采集方式和分析地點的不同與關系，機器油液分析儀器或系統(tǒng)可以劃分為3 種基本形式，如圖1 所示

　　（1） 離線式（off - line） ， 以現場（on- site， 應用便攜式油液分析儀器） 和非現場（off - site， 應用基本配置或完全配置油液分析實驗室） 兩種模式分析周期或非周期性方式采集的代表性油液樣品。離線式機器油液分析的缺點是分析結果受油液樣品采集、運輸和實驗過程中多種因素的影響。

　?。?） 在線式（on- line） ， 連續(xù)或間歇地分析部分循環(huán)油液。在線式機器油液分析技術對機器油液流動狀態(tài)的影響小，能夠提供直接結果且?guī)缀醪皇芡獠恳蛩赜绊?，缺點是如果樣品采集量較少時，在線分析結果可能喪失代表性。

　　（3） 嵌入式（in- line） 或原位型（in- site） ， 連續(xù)分析系統(tǒng)中的全部循環(huán)油液。嵌入式機器油液分析技術的優(yōu)點是對全部油液進行分析并立即提供分析結果，分析過程不受外部因素影響，但嵌入式機器油液分析實施困難，而且可能對油液系統(tǒng)正常工作帶來影響。

　　圖1 油液分析的方式傳統(tǒng)的飛機進行油液分析，都是采用離線式的方法，首先要在現場對每架飛機放油采集油樣，然后送到實驗室進行分析，分析完成后再將數據送給現場維修人員和決策者，由于油液運輸和數據傳遞需要大量時間，進行一次油液分析的周期往往很長，不利于裝備維修的時效性。另外，在油液采樣和運輸過程中還有可能引入污染，影響分析結果。

　　近年來，西方發(fā)達國家利用電子技術和信號處理技術，研制了多種新型嵌入式油液分析傳感器，并在此基礎上，針對各種不同類型的設備，開發(fā)了一系列油液在線監(jiān)控系統(tǒng)，實現了在線分析和實時監(jiān)控。

　　2 Zigbee 技術

　　Zigbee 是一種低速無線個域網技術，它適用于通信數據量不大、數據傳輸速率相對較低、分布范圍較小，但對數據的安全可靠有較高要求，而且要求成本和功耗非常低，并容易安裝使用的場合。其具有極低的功耗和固態(tài)組網能力且經濟性好，安全可靠，復雜度低。Zigbee 網絡分為4 層，從下向上分別為物理層（PHY） 、媒體訪問控制層（MAC） 、網絡層（NKW）和應用層（APL） 。IEEE802154標準主要負責制定Zigbee的物理層和媒體訪問控制層，它是Zigbee 技術的基礎。Zigbee技術聯盟在它之上定義了網絡層和應用層。

　　本文設計了基于Zigbee 協議的飛機嵌入式實時油液監(jiān)測系統(tǒng)，利用嵌入式油液分析傳感器獲取油液數據，然后利用基于Zigbee 協議的無線通信方式將數據匯聚到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點對數據進行處理后再傳送到sink 節(jié)點，由sink 節(jié)點將數據上傳到PC機，通過PC機進行詳細的油液數據分析以得到結果。這樣既可以省去反復放油以及油液運輸的工作量，節(jié)省時間，又可以消除在放油和油液運送過程中引入污染的可能。

　　3 系統(tǒng)總體設計

　　該油液監(jiān)測系統(tǒng)采用新型的嵌入式油液分析傳感器來在線實時的獲取油液數據，然后利用Zig bee 協議來實現傳感器節(jié)點與簇頭節(jié)點以及簇頭節(jié)點與sink 節(jié)點之間的通信，來傳遞采集來的數據，sink 節(jié)點再利用USB 接口與PC 機連接，將數據上傳到PC 機中。系統(tǒng)的總體設計框圖如圖2 所示

　　系統(tǒng)采用分層的網絡結構，在飛機的各個重要部位如發(fā)動機、起落架、襟副翼等部位安裝傳感器節(jié)點，以監(jiān)測潤滑油以及液壓油的情況，每架飛機的傳感器節(jié)點組成簇，傳感器節(jié)點與簇頭之間采用單跳通信，將采集到的數據傳送給簇頭。簇頭節(jié)點將傳感器節(jié)點傳來的數據進行數據融合，以去除數據冗余，減少傳輸的數據量，同時也能更有效的進行油液監(jiān)測，然后將數據傳送給sink 節(jié)點。上層網絡采用星型結構，各簇頭與sink 節(jié)點進行通信。sink 節(jié)點設計為手持式的數據采集器，設置兩種模式，可以對機場上的所有飛機數據進行采集，也可以對每架飛機的油液數據進行單獨采集。sink 節(jié)點將數據收集好之后再利用USB 接口將數據上傳到PC 機上，PC 機可以利用專門油液分析專家系統(tǒng)對油液進行進一步的分析，也可以通過Inter net 連接到大型油液分析實驗室對油液實施遠程監(jiān)測。

　　為了降低能耗，系統(tǒng)采用廣播信標幀的形式來實現設備間的同步，同時選用CSMA/ CA 的信道訪問機制來避免數據傳送沖突。

　　傳感器節(jié)點與簇頭節(jié)點在飛機上的安裝位置如圖3 所示，傳感器節(jié)點主要安裝在起落架、襟副翼和尾翼的液壓油管路以及發(fā)動機艙內的潤滑油管路中，用來監(jiān)測液壓油和潤滑油的情況。為了使各傳感器節(jié)點的能量消耗盡可能達到均衡，應將簇頭節(jié)點安裝在傳感器節(jié)點組成的星型網絡的中心位置，同時考慮到安裝的方便，選擇將簇頭節(jié)點安裝在飛機的機背上。

　　4 網絡節(jié)點的硬件設計

　　該監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計包括傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點和sink節(jié)點的硬件設計，根據各自的工作特點，各節(jié)點的硬件設計如下。

　　4 1 傳感器節(jié)點的硬件設計

　　傳感器節(jié)點安裝在飛機的潤滑油和液壓油油路上，由于飛機的潤滑油及液壓油管路大都安裝在飛機機體內部，尤其是潤滑油管路位于發(fā)動機艙內部，溫度很高，工作環(huán)境非常差，所以我們采用電池來給傳感器節(jié)點供電，以避免接入導線供電造成線路不易檢查，容易出故障的缺點。傳感器節(jié)點的硬件設計框圖如圖4 所示。

　　分為數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元以及電源管理模塊4 個部分。

　　其中數據采集單元采用嵌入式油液分析傳感器，用來在線采集油液信息。油液分析的方法有很多種，與此相對應，嵌入式油液分析傳感器也具有多種形式，它們采用不同的技術確定油液狀態(tài)，， 為了得到全面的飛機油液信息，可以選用多種嵌入式油液分析傳感器安裝在油路的不同部位，將它們采集到的數據發(fā)送到簇頭節(jié)點，再由簇頭節(jié)點進行數據融合，初步得到飛機的油液狀態(tài)。

　　數據處理單元主要由微處理器和存儲器組成，微處理器模塊是網絡節(jié)點硬件設計的核心，所有的設備控制、數據采集和處理、通信協議和數據收發(fā)等都將在該模塊的支持下完成，所以微處理器的選擇在網絡節(jié)點的設計中至關重要，根據項目本身的需求，選擇高性能、低功耗的8 位AVR 系列單片機ATmeg a128L 作為微處理器模塊。由于傳感器節(jié)點采集油液數據后要進行存儲，待簇頭節(jié)點提出數據傳輸請求后才將數據發(fā)送出去，存儲的數據量較大，所以需要外接存儲器。

　　數據傳輸單元主要用來實現與簇頭節(jié)點間的通信，通信的圖6 系統(tǒng)軟件設計框圖能量消耗是節(jié)點能量消耗的主要方面，因此選擇一款低功耗、高性能的通信芯片是對延長節(jié)點壽命至關重要。本設計選擇CC2420 作為無線通信芯片。CC2420 是Chipcon AS 公司推出的首款符合2 4GHz， IEEE802 15 4 標準的射頻收發(fā)器，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數據傳輸率最高可達250kbps， 可以實現多點對多點的快速組網。CC2420 為信息包處理提供廣泛的硬件支持，數據緩沖器、發(fā)射、數據加密、數據證明、空閑信道*估、鏈路質量指示和信息包實時資料，這些特點減少了主控制器的工作量，使CC2420 可與低成本微處理器相接。

　　CC2420 與AT meg a128L 的連接非常方便，處理器通過10條線就可以實現對CC2420 的控制，簡化了節(jié)點的硬件設計。

　　4.2 簇頭節(jié)點的硬件設計

　　簇頭節(jié)點的硬件設計與傳感器節(jié)點的硬件設計基本上是一致的，但是考慮到簇頭節(jié)點需要與飛機上的所有傳感器節(jié)點進行通信，還要進行數據存儲和處理，消耗的能量比較多，如果采用電池供電很難持續(xù)較長時間，所以選擇用飛機上的電源給簇頭節(jié)點供電，利用電壓轉換模塊將飛機電源電壓轉換到適合簇頭節(jié)點工作的電壓。簇頭節(jié)點不外接傳感器，僅用來進行數據通信和處理，綜合考慮數據處理和成本的要求，其處理器仍選用AVR 單片機； 無線通信模塊也依然選用CC2420 芯片； 簇頭節(jié)點要存儲和處理整架飛機的油液數據，需要存儲的數據較大，需要外接存儲器。

　　4.3 sink節(jié)點的硬件設計

　　sink 節(jié)點主要用來接收各簇頭發(fā)送的數據，還要具有一定的數據分析能力，能夠在現場對油液進行簡單的分析，同時還要有比較大的存儲空間，用來存儲各個飛機的油液數據，以利于上傳到PC 機，所以其處理能力、存儲能力和通信能力相對要比較強，sink 節(jié)點的硬件設計框圖如圖5 所示

　　sink 節(jié)點是監(jiān)測系統(tǒng)中的特殊節(jié)點，基于大量內存、外存、高吞吐率和處理能力的需求，ARM 控制器是理想的選擇。該系統(tǒng)選擇LPC2220 微控制器作為微處理器，LPC2220 微控制器是基于支持實時仿真和嵌入跟蹤的高效16/32 位ARM7T DMI- S 的RISC （ Reduced Inst ruct ion Set Computing ） 的CPU， 可確保任務短時間、快速執(zhí)行。由于LPC2220 具有極低的功耗、多個32 位定時器、8 路10 位ADC、PWM 輸出、64KB 的RAM 以及多達9 個外部中斷管腳使它非常適合于sink 節(jié)點的應用。通過配置總線，LPC2220最多可提供76 個GPIO。

　　LPC2220 對CC2420的控制同AVR 單片機相似，也是通過10 條線實現對CC2420 的控制，相對比較簡單。

　　5 系統(tǒng)的軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件設計框圖如圖6 所示。

　　為了節(jié)省傳感器節(jié)點的能量，節(jié)點的無線通信模塊平時處于休眠狀態(tài)，只有在油液發(fā)生突變或sink節(jié)點要求傳送數據時才打開。綜合節(jié)能的要求和油液監(jiān)測的特點，傳感器節(jié)點由處理器內部時鐘定時，每隔十分鐘采集一次數據，并將其與前一時刻采集到的數據進行比較，如果差別不大，就將新的數據存入外部存儲器，覆蓋掉舊的數據。如果數據發(fā)生了突變，就打開無線通信模塊，進行告警。在需要對所有飛機的油液進行分析時，由sink節(jié)點發(fā)布命令，將所有的節(jié)點的無線通信模塊打開，傳感器節(jié)點將存儲的數據發(fā)給簇頭節(jié)點，再由簇頭節(jié)點將數據發(fā)送給sink 節(jié)點。sink節(jié)點可以選擇對機場上所有的飛機油液信息進行采集，也可以對任何一架飛機進行單獨采集。

　　6 結束語

　　國外的大量實踐證明，實施油液在線監(jiān)控不僅可以取消采樣和實驗室分析的巨額費用，還便于構成診斷和預防性維修系統(tǒng)，及時發(fā)現突發(fā)性故障和對機器狀態(tài)進行趨勢分析。本設計利用嵌入式油液分析傳感器和Zigbee無線通信技術相結合，構建了飛機無線嵌入式實時油液監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮了Zigbee無線通信技術在油液監(jiān)測方面的優(yōu)越性，可以實現飛機油液的在線實時監(jiān)控，并能夠通過無線通信的方式將數據傳送出來，通過sink 節(jié)點傳送給PC 機，而PC 機可以通過Inter net 與大型油液分析實驗室聯接，實現飛機油液的遠程監(jiān)測，同時也滿足了油液監(jiān)測系統(tǒng)智能化、靈巧化的要求。在接下來的研究中，將實現并在某型飛機上驗證該監(jiān)測系統(tǒng)，爭取早日將飛機無線嵌入式實時油液監(jiān)測系統(tǒng)早日應用在飛機上，保障飛行安全。