引言

　　飛機(jī)的油液監(jiān)測是利用油液分析技術(shù)對(duì)飛機(jī)使用的潤滑油和液壓油進(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)備工況信息來對(duì)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(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 所示響。

     （1） 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(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，不利于裝備維修的時(shí)效性。另外，在油液采樣和運(yùn)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(dá)國家利用電子技術(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(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)測系統(tǒng)采用新型的嵌入式油液分析傳感器來在線實(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，來傳遞采集來的數(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
 

設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示

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　　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)測潤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，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。

　　為了降低能耗，系統(tǒng)采用廣播信標(biāo)幀的形式來實(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(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。

　　4 1  傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在飛機(jī)的潤滑油和液壓油油路上，由于飛機(jī)的潤滑油及液壓油管路大都安裝在飛機(jī)機(jī)體內(nèi)部，尤其是潤滑油管路位于發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)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(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)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(jī)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(diǎn)，再由簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，初步得到飛機(jī)的油液狀態(tài)?！　?shù)據(jù)處理單元主要由微處理器和存儲(chǔ)器組成，微處理器模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)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(diǎn)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，根據(jù)項(xiàng)目本身的需求，選擇高性能、低功耗的8 位AVR 系列單片機(jī)ATmeg a128L 作為微處理器模塊。由于傳感器節(jié)點(diǎn)采集油液數(shù)據(jù)后要進(jìn)行存儲(chǔ)，待簇頭節(jié)點(diǎn)提出數(shù)據(jù)傳輸請求后才將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量較大，所以需要外接存儲(chǔ)器?！　?shù)據(jù)傳輸單元主要用來實(shí)現(xiàn)與簇頭節(jié)點(diǎn)間的通信，通信的圖6  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖能量消耗是節(jié)點(diǎn)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(duì)延長節(jié)點(diǎn)壽命至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)250kbps, 可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shí)時(shí)資料，這些特點(diǎn)減少了主控制器的工作量，使CC2420 可與低成本微處理器相接?！　C2420 與AT meg a128L 的連接非常方便，處理器通過10條線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CC2420 的控制，簡化了節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。

　　　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(gè)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(duì)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(jī)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(diǎn)，再由簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，初步得到飛機(jī)的油液狀態(tài)。[!--empirenews.page--]

　　數(shù)據(jù)處理單元主要由微處理器和存儲(chǔ)器組成，微處理器模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)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(diǎn)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，根據(jù)項(xiàng)目本身的需求，選擇高性能、低功耗的8 位AVR 系列單片機(jī)ATmeg a128L 作為微處理器模塊。由于傳感器節(jié)點(diǎn)采集油液數(shù)據(jù)后要進(jìn)行存儲(chǔ)，待簇頭節(jié)點(diǎn)提出數(shù)據(jù)傳輸請求后才將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量較大，所以需要外接存儲(chǔ)器。

　　數(shù)據(jù)傳輸單元主要用來實(shí)現(xiàn)與簇頭節(jié)點(diǎn)間的通信，通信的圖6  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖能量消耗是節(jié)點(diǎn)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(duì)延長節(jié)點(diǎn)壽命至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)250kbps, 可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shí)時(shí)資料，這些特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)CC2420 的控制，簡化了節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。

 

　　4.2  簇頭節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　簇頭節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)與傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)基本上是一致的，但是考慮到簇頭節(jié)點(diǎn)需要與飛機(jī)上的所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)間，所以選擇用飛機(jī)上的電源給簇頭節(jié)點(diǎn)供電，利用電壓轉(zhuǎn)換模塊將飛機(jī)電源電壓轉(zhuǎn)換到適合簇頭節(jié)點(diǎn)工作的電壓。簇頭節(jié)點(diǎn)不外接傳感器，僅用來進(jìn)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(jī)； 無線通信模塊也依然選用CC2420 芯片； 簇頭節(jié)點(diǎn)要存儲(chǔ)和處理整架飛機(jī)的油液數(shù)據(jù)，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較大，需要外接存儲(chǔ)器。

　　4.3  sink節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　sink 節(jié)點(diǎn)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(duì)油液進(jìn)行簡單的分析，同時(shí)還要有比較大的存儲(chǔ)空間，用來存儲(chǔ)各個(gè)飛機(jī)的油液數(shù)據(jù)，以利于上傳到PC 機(jī)，所以其處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)要比較強(qiáng)，sink 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖5 所示

　　sink 節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測系統(tǒng)中的特殊節(jié)點(diǎn)，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(shí)時(shí)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(shí)間、快速執(zhí)行。由于LPC2220 具有極低的功耗、多個(gè)32 位定時(shí)器、8 路10 位ADC、PWM 輸出、64KB 的RAM 以及多達(dá)9 個(gè)外部中斷管腳使它非常適合于sink 節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用。通過配置總線，LPC2220最多可提供76 個(gè)GPIO。

　　LPC2220 對(duì)CC2420的控制同AVR 單片機(jī)相似，也是通過10 條線實(shí)現(xiàn)對(duì)CC2420 的控制，相對(duì)比較簡單。

　　5  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6 所示。
　　為了節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊平時(shí)處于休眠狀態(tài)，只有在油液發(fā)生突變或sink節(jié)點(diǎn)要求傳送數(shù)據(jù)時(shí)才打開。綜合節(jié)能的要求和油液監(jiān)測的特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)由處理器內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)，每隔十分鐘采集一次數(shù)據(jù)，并將其與前一時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果差別不大，就將新的數(shù)據(jù)存入外部存儲(chǔ)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(jìn)行告警。在需要對(duì)所有飛機(jī)的油液進(jìn)行分析時(shí)，由sink節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令，將所有的節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊打開，傳感器節(jié)點(diǎn)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)給簇頭節(jié)點(diǎn)，再由簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給sink 節(jié)點(diǎn)。sink節(jié)點(diǎn)可以選擇對(duì)機(jī)場上所有的飛機(jī)油液信息進(jìn)行采集，也可以對(duì)任何一架飛機(jī)進(jìn)行單獨(dú)采集。

　　6  結(jié)束語

　　國外的大量實(shí)踐證明，實(shí)施油液在線監(jiān)控不僅可以取消采樣和實(shí)驗(yàn)室分析的巨額費(fèi)用，還便于構(gòu)成診斷和預(yù)防性維修系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障和對(duì)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行趨勢分析。本設(shè)計(jì)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(jī)無線嵌入式實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)飛機(jī)油液的在線實(shí)時(shí)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(diǎn)傳送給PC 機(jī)，而PC 機(jī)可以通過Inter net 與大型油液分析實(shí)驗(yàn)室聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)油液的遠(yuǎn)程監(jiān)測，同時(shí)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(shí)現(xiàn)并在某型飛機(jī)上驗(yàn)證該監(jiān)測系統(tǒng)，爭取早日將飛機(jī)無線嵌入式實(shí)時(shí)油液監(jiān)測系統(tǒng)早日應(yīng)用在飛機(jī)上，保障飛行安全。