基于Zigbee協(xié)議的飛機(jī)無(wú)線嵌入式實(shí)時(shí)油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　飛機(jī)的油液監(jiān)測(cè)是利用油液分析技術(shù)對(duì)飛機(jī)使用的潤(rùn)滑油和液壓油進(jìn)行綜合分析，以獲得飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑和磨損情況以及液壓系統(tǒng)的使用情況，進(jìn)行油液分析可以有效地監(jiān)測(cè)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、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(cè)飛機(jī)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(cè)技術(shù)，是一種新型的設(shè)備維護(hù)技術(shù)，它利用油液所攜帶的設(shè)備工況信息來(lái)對(duì)設(shè)備的當(dāng)前工作狀況以及未來(lái)工作狀況做出判斷，從而為設(shè)備的正確維護(hù)提供了有效的依據(jù)，達(dá)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(diǎn)的不同與關(guān)系，機(jī)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(chǎng)（on- site， 應(yīng)用便攜式油液分析儀器） 和非現(xiàn)場(chǎng)（off - site， 應(yīng)用基本配置或完全配置油液分析實(shí)驗(yàn)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(jī)器油液分析的缺點(diǎn)是分析結(jié)果受油液樣品采集、運(yùn)輸和實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jī)器油液分析技術(shù)對(duì)機(jī)器油液流動(dòng)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懀秉c(diǎn)是如果樣品采集量較少時(shí)，在線分析結(jié)果可能喪失代表性。

　?。?） 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(jī)器油液分析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)全部油液進(jìn)行分析并立即提供分析結(jié)果，分析過(guò)程不受外部因素影響，但嵌入式機(jī)器油液分析實(shí)施困難，而且可能對(duì)油液系統(tǒng)正常工作帶來(lái)影響。

　　圖1 油液分析的方式傳統(tǒng)的飛機(jī)進(jìn)行油液分析，都是采用離線式的方法，首先要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)每架飛機(jī)放油采集油樣，然后送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，分析完成后再將數(shù)據(jù)送給現(xiàn)場(chǎng)維修人員和決策者，由于油液運(yùn)輸和數(shù)據(jù)傳遞需要大量時(shí)間，進(jìn)行一次油液分析的周期往往很長(zhǎng)，不利于裝備維修的時(shí)效性。另外，在油液采樣和運(yùn)輸過(guò)程中還有可能引入污染，影響分析結(jié)果。

　　近年來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家利用電子技術(shù)和信號(hào)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(duì)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(shí)現(xiàn)了在線分析和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　2 Zigbee 技術(shù)

　　Zigbee 是一種低速無(wú)線個(gè)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(duì)較低、分布范圍較小，但對(duì)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(chǎng)合。其具有極低的功耗和固態(tài)組網(wǎng)能力且經(jīng)濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)主要負(fù)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(jì)了基于Zigbee 協(xié)議的飛機(jī)嵌入式實(shí)時(shí)油液監(jiān)測(cè)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(wú)線通信方式將數(shù)據(jù)匯聚到簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再傳送到sink 節(jié)點(diǎn)，由sink 節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)，通過(guò)PC機(jī)進(jìn)行詳細(xì)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(yùn)輸?shù)墓ぷ髁?，?jié)省時(shí)間，又可以消除在放油和油液運(yùn)送過(guò)程中引入污染的可能。

　　3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　該油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用新型的嵌入式油液分析傳感器來(lái)在線實(shí)時(shí)的獲取油液數(shù)據(jù)，然后利用Zig bee 協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)以及簇頭節(jié)點(diǎn)與sink 節(jié)點(diǎn)之間的通信，來(lái)傳遞采集來(lái)的數(shù)據(jù)，sink 節(jié)點(diǎn)再利用USB 接口與PC 機(jī)連接，將數(shù)據(jù)上傳到PC 機(jī)中。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(jī)的各個(gè)重要部位如發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、襟副翼等部位安裝傳感器節(jié)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油以及液壓油的情況，每架飛機(jī)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成簇，傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)也能更有效的進(jìn)行油液監(jiān)測(cè)，然后將數(shù)據(jù)傳送給sink 節(jié)點(diǎn)。上層網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，各簇頭與sink 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。sink 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為手持式的數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置兩種模式，可以對(duì)機(jī)場(chǎng)上的所有飛機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，也可以對(duì)每架飛機(jī)的油液數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)采集。sink 節(jié)點(diǎn)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(jī)上，PC 機(jī)可以利用專門油液分析專家系統(tǒng)對(duì)油液進(jìn)行進(jìn)一步的分析，也可以通過(guò)Inter net 連接到大型油液分析實(shí)驗(yàn)室對(duì)油液實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

　　為了降低能耗，系統(tǒng)采用廣播信標(biāo)幀的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的同步，同時(shí)選用CSMA/ CA 的信道訪問機(jī)制來(lái)避免數(shù)據(jù)傳送沖突。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)在飛機(jī)上的安裝位置如圖3 所示，傳感器節(jié)點(diǎn)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(dòng)機(jī)艙內(nèi)的潤(rùn)滑油管路中，用來(lái)監(jiān)測(cè)液壓油和潤(rùn)滑油的情況。為了使各傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗盡可能達(dá)到均衡，應(yīng)將簇頭節(jié)點(diǎn)安裝在傳感器節(jié)點(diǎn)組成的星型網(wǎng)絡(luò)的中心位置，同時(shí)考慮到安裝的方便，選擇將簇頭節(jié)點(diǎn)安裝在飛機(jī)的機(jī)背上。

　　4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)各自的工作特點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)如下。