基于Zigbee協議的飛機無線嵌入式實時油液監測系統設計

　　引言

　　飛機的油液監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，以獲得飛機發動機的潤滑和磨損情況以及液壓系統的使用情況，進行油液分析可以有效地監測飛機的發動機、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。

　　（2）在線式（on- line），連續或間歇地分析部分循環油液。在線式機器油液分析技術對機器油液流動狀態的影響小，能夠提供直接結果且幾乎不受外部因素影響，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），連續分析系統中的全部循環油液。嵌入式機器油液分析技術的優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正常工作帶來影響。

　　圖1 油液分析的方式傳統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，開發了一系列油液在線監控系統，實現了在線分析和實時監控。

　　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測系統，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點，簇頭節點對數據進行處理后再傳送到sink 節點，由sink 節點將數據上傳到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 系統總體設計

　　該油液監測系統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點與簇頭節點以及簇頭節點與sink 節點之間的通信，來傳遞采集來的數據，sink 節點再利用USB 接口與PC 機連接，將數據上傳到PC 機中。系統的總體設計框圖如圖2 所示

　　系統采用分層的網絡結構，在飛機的各個重要部位如發動機、起落架、襟副翼等部位安裝傳感器節點，以監測潤滑油以及液壓油的情況，每架飛機的傳感器節點組成簇，傳感器節點與簇頭之間采用單跳通信，將采集到的數據傳送給簇頭。簇頭節點將傳感器節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測，然后將數據傳送給sink 節點。上層網絡采用星型結構，各簇頭與sink 節點進行通信。sink 節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測。

　　為了降低能耗，系統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。

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