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引言
飛機的油液監(jiān)測是利用油液分析技術(shù)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(guān)鍵部件的使用情況，檢查并預(yù)測飛機的故障，保證飛行的安全。
1 油液分析方式方法與現(xiàn)狀
油液分析技術(shù)又稱為設(shè)備磨損工況監(jiān)測技術(shù)，是一種新型的設(shè)備維護技術(shù)，它利用油液所攜帶的設(shè)備工況信息來對設(shè)備的當(dāng)前工作狀況以及未來工作狀況做出判斷，從而為設(shè)備的正確維護提供了有效的依據(jù)，達到預(yù)防性維修的目的。目前，油液分析技術(shù)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(jù)油液樣品采集方式和分析地點的不同與關(guān)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
?。?） 離線式（off - line） ， 以現(xiàn)場（on- site， 應(yīng)用便攜式油液分析儀器） 和非現(xiàn)場（off - site， 應(yīng)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(jié)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(shù)對機器油液流動狀態(tài)的影響小，能夠提供直接結(jié)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(jié)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(shù)的優(yōu)點是對全部油液進行分析并立即提供分析結(jié)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(xiàn)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(shù)據(jù)送給現(xiàn)場維修人員和決策者，由于油液運輸和數(shù)據(jù)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(jié)果。
近年來，西方發(fā)達國家利用電子技術(shù)和信號處理技術(shù)，研制了多種新型嵌入式油液分析傳感器，并在此基礎(chǔ)上，針對各種不同類型的設(shè)備，開發(fā)了一系列油液在線監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線分析和實時監(jiān)控。
2 Zigbee 技術(shù)
Zigbee 是一種低速無線個域網(wǎng)技術(shù)，它適用于通信數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低、分布范圍較小，但對數(shù)據(jù)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(wǎng)能力且經(jīng)濟性好，安全可靠，復(fù)雜度低。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)分為4 層，從下向上分別為物理層（PHY） 、媒體訪問控制層（MAC） 、網(wǎng)絡(luò)層（NKW）和應(yīng)用層（APL） 。IEEE802154標準主要負責(zé)制定Zigbee的物理層和媒體訪問控制層，它是Zigbee 技術(shù)的基礎(chǔ)。Zigbee技術(shù)聯(lián)盟在它之上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。
本文設(shè)計了基于Zigbee 協(xié)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(shù)據(jù)，然后利用基于Zigbee 協(xié)議的無線通信方式將數(shù)據(jù)匯聚到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點對數(shù)據(jù)進行處理后再傳送到sink 節(jié)點，由sink 節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳到PC機，通過PC機進行詳細的油液數(shù)據(jù)分析以得到結(jié)果。這樣既可以省去反復(fù)放油以及油液運輸?shù)墓ぷ髁浚?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(shè)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(shù)據(jù)，然后利用Zig bee 協(xié)議來實現(xiàn)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(shù)據(jù)，sink 節(jié)點再利用USB 接口與PC 機連接，將數(shù)據(jù)上傳到PC 機中。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2 所示
系統(tǒng)采用分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)傳送給簇頭。簇頭節(jié)點將傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，以去除數(shù)據(jù)冗余，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時也能更有效的進行油液監(jiān)測，然后將數(shù)據(jù)傳送給sink 節(jié)點。上層網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，各簇頭與sink 節(jié)點進行通信。sink 節(jié)點設(shè)計為手持式的數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置兩種模式，可以對機場上的所有飛機數(shù)據(jù)進行采集，也可以對每架飛機的油液數(shù)據(jù)進行單獨采集。sink 節(jié)點將數(shù)據(jù)收集好之后再利用USB 接口將數(shù)據(jù)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(xiàn)設(shè)備間的同步，同時選用CSMA/ CA 的信道訪問機制來避免數(shù)據(jù)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(nèi)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(yīng)將簇頭節(jié)點安裝在傳感器節(jié)點組成的星型網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計
該監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點和sink節(jié)點的硬件設(shè)計，根據(jù)各自的工作特點，各節(jié)點的硬件設(shè)計如下。
4 1 傳感器節(jié)點的硬件設(shè)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(nèi)部，尤其是潤滑油管路位于發(fā)動機艙內(nèi)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(dǎo)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(shè)計框圖如圖4 所示。
分為數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元以及電源管理模塊4 個部分。
其中數(shù)據(jù)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(yīng)，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(shù)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(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點，再由簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，初步得到飛機的油液狀態(tài)。
數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計的核心，所有的設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和處理、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計中至關(guān)重要，根據(jù)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(shù)據(jù)后要進行存儲，待簇頭節(jié)點提出數(shù)據(jù)傳輸請求后才將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，存儲的數(shù)據(jù)量較大，所以需要外接存儲器。
數(shù)據(jù)傳輸單元主要用來實現(xiàn)與簇頭節(jié)點間的通信，通信的圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)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(guān)重要。本設(shè)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(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率最高可達250kbps， 可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。CC2420 為信息包處理提供廣泛的硬件支持，數(shù)據(jù)緩沖器、發(fā)射、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)證明、空閑信道*估、鏈路質(zhì)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(xiàn)對CC2420 的控制，簡化了節(jié)點的硬件設(shè)計。
4.2 簇頭節(jié)點的硬件設(shè)計
簇頭節(jié)點的硬件設(shè)計與傳感器節(jié)點的硬件設(shè)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換模塊將飛機電源電壓轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)通信和處理，綜合考慮數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，需要存儲的數(shù)據(jù)較大，需要外接存儲器。
4.3 sink節(jié)點的硬件設(shè)計
sink 節(jié)點主要用來接收各簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)，還要具有一定的數(shù)據(jù)分析能力，能夠在現(xiàn)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(shù)據(jù)，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(shè)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(nèi)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(wù)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(yīng)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(xiàn)對CC2420 的控制，相對比較簡單。
5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)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(shù)據(jù)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(nèi)部時鐘定時，每隔十分鐘采集一次數(shù)據(jù)，并將其與前一時刻采集到的數(shù)據(jù)進行比較，如果差別不大，就將新的數(shù)據(jù)存入外部存儲器，覆蓋掉舊的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)給簇頭節(jié)點，再由簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)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(jié)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(gòu)成診斷和預(yù)防性維修系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障和對機器狀態(tài)進行趨勢分析。本設(shè)計利用嵌入式油液分析傳感器和Zigbee無線通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)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(shù)在油液監(jiān)測方面的優(yōu)越性，可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(lián)接，實現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)用在飛機上，保障飛行安全。
工商網(wǎng)監(jiān)
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