基于Zigbee协议的飞机无线嵌入式实时油液监测系统设计

　　引言

　　飞机的油液监测是利用油液分析技术对飞机使用的润滑油和液压油进行综合分析，以获得飞机发动机的润滑和磨损情况以及液压系统的使用情况，进行油液分析可以有效地监测飞机的发动机、起落架、襟副翼和尾翼等关键部件的使用情况，检查并预测飞机的故障，保证飞行的安全。

　　1 油液分析方式方法与现状

　　油液分析技术又称为设备磨损工况监测技术，是一种新型的设备维护技术，它利用油液所携带的设备工况信息来对设备的当前工作状况以及未来工作状况做出判断，从而为设备的正确维护提供了有效的依据，达到预防性维修的目的。目前，油液分析技术主要有油液性能分析法、污染度分析法和磨粒分析法3 种方法。

　　根据油液样品采集方式和分析地点的不同与关系，机器油液分析仪器或系统可以划分为3 种基本形式，如图1 所示

　　（1） 离线式（off - line） ， 以现场（on- site， 应用便携式油液分析仪器） 和非现场（off - site， 应用基本配置或完全配置油液分析实验室） 两种模式分析周期或非周期性方式采集的代表性油液样品。离线式机器油液分析的缺点是分析结果受油液样品采集、运输和实验过程中多种因素的影响。

　　（2） 在线式（on- line） ， 连续或间歇地分析部分循环油液。在线式机器油液分析技术对机器油液流动状态的影响小，能够提供直接结果且几乎不受外部因素影响，缺点是如果样品采集量较少时，在线分析结果可能丧失代表性。

　　（3） 嵌入式（in- line） 或原位型（in- site） ， 连续分析系统中的全部循环油液。嵌入式机器油液分析技术的优点是对全部油液进行分析并立即提供分析结果，分析过程不受外部因素影响，但嵌入式机器油液分析实施困难，而且可能对油液系统正常工作带来影响。

　　

　　图1 油液分析的方式传统的飞机进行油液分析，都是采用离线式的方法，首先要在现场对每架飞机放油采集油样，然后送到实验室进行分析，分析完成后再将数据送给现场维修人员和决策者，由于油液运输和数据传递需要大量时间，进行一次油液分析的周期往往很长，不利于装备维修的时效性。另外，在油液采样和运输过程中还有可能引入污染，影响分析结果。

　　近年来，西方发达国家利用电子技术和信号处理技术，研制了多种新型嵌入式油液分析传感器，并在此基础上，针对各种不同类型的设备，开发了一系列油液在线监控系统，实现了在线分析和实时监控。

　　2 Zigbee 技术

　　Zigbee 是一种低速无线个域网技术，它适用于通信数据量不大、数据传输速率相对较低、分布范围较小，但对数据的安全可靠有较高要求，而且要求成本和功耗非常低，并容易安装使用的场合。其具有极低的功耗和固态组网能力且经济性好，安全可靠，复杂度低。Zigbee 网络分为4 层，从下向上分别为物理层（PHY） 、媒体访问控制层（MAC） 、网络层（NKW）和应用层（APL） 。IEEE802154标准主要负责制定Zigbee的物理层和媒体访问控制层，它是Zigbee 技术的基础。Zigbee技术联盟在它之上定义了网络层和应用层。

　　本文设计了基于Zigbee 协议的飞机嵌入式实时油液监测系统，利用嵌入式油液分析传感器获取油液数据，然后利用基于Zigbee 协议的无线通信方式将数据汇聚到簇头节点，簇头节点对数据进行处理后再传送到sink 节点，由sink 节点将数据上传到PC机，通过PC机进行详细的油液数据分析以得到结果。这样既可以省去反复放油以及油液运输的工作量，节省时间，又可以消除在放油和油液运送过程中引入污染的可能。

　　3 系统总体设计

　　该油液监测系统采用新型的嵌入式油液分析传感器来在线实时的获取油液数据，然后利用Zig bee 协议来实现传感器节点与簇头节点以及簇头节点与sink 节点之间的通信，来传递采集来的数据，sink 节点再利用USB 接口与PC 机连接，将数据上传到PC 机中。系统的总体设计框图如图2 所示

　　

　　系统采用分层的网络结构，在飞机的各个重要部位如发动机、起落架、襟副翼等部位安装传感器节点，以监测润滑油以及液压油的情况，每架飞机的传感器节点组成簇，传感器节点与簇头之间采用单跳通信，将采集到的数据传送给簇头。簇头节点将传感器节点传来的数据进行数据融合，以去除数据冗余，减少传输的数据量，同时也能更有效的进行油液监测，然后将数据传送给sink 节点。上层网络采用星型结构，各簇头与sink 节点进行通信。sink 节点设计为手持式的数据采集器，设置两种模式，可以对机场上的所有飞机数据进行采集，也可以对每架飞机的油液数据进行单独采集。sink 节点将数据收集好之后再利用USB 接口将数据上传到PC 机上，PC 机可以利用专门油液分析专家系统对油液进行进一步的分析，也可以通过Inter net 连接到大型油液分析实验室对油液实施远程监测。

　　为了降低能耗，系统采用广播信标帧的形式来实现设备间的同步，同时选用CSMA/ CA 的信道访问机制来避免数据传送冲突。

　　传感器节点与簇头节点在飞机上的安装位置如图3 所示，传感器节点主要安装在起落架、襟副翼和尾翼的液压油管路以及发动机舱内的润滑油管路中，用来监测液压油和润滑油的情况。为了使各传感器节点的能量消耗尽可能达到均衡，应将簇头节点安装在传感器节点组成的星型网络的中心位置，同时考虑到安装的方便，选择将簇头节点安装在飞机的机背上。

　　

　　4 网络节点的硬件设计

　　该监测系统的硬件设计包括传感器节点、簇头节点和sink节点的硬件设计，根据各自的工作特点，各节点的硬件设计如下。