一种飞机油液无线监测系统的制作方法

本发明涉及航空测控设备技术领域，特别涉及一种飞机油液无线监测系统。

背景技术：

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，保证飞机的安全。

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三种方法。

现有技术中，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三种基本形式：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，其分析结构易受油液样品采集、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，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，但如果样品采集数量较少时，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，并立即提供分析结果，分析过程不受外部因素影响，但分析实施困难，而且可能对油液系统正常工作带来影响。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种飞机油液无线监测系统，利用嵌入式油液分析传感器获取油液数据，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给终端节点，由终端节点将数据上传到上位机，通过上位机进行详细的油液数据分析以得到结果，省去了反复放油以及油液运输的工作量，节省了时间，又可以消除在放油和油液运送过程中引入污染的可能。

(二)技术方案

一种飞机油液无线监测系统，包括传感器节点、簇头节点和终端节点；若干个所述传感器节点分别安装于飞机的发动机、起落架、襟副翼、尾翼等重要部位的油路上，以监测飞机的液压油和润滑油情况；若干个所述传感器节点构成星型网络簇，所述簇头节点位于所述星型网络簇的中心位置；所述终端节点为手持式设备，为检测人员随身携带；所述传感器节点与所述簇头节点通过zigbee网络无线连接，所述簇头节点与所述终端节点通过所述zigbee网络无线连接，所述终端节点通过usb接口与上位机相连接；

所述传感器节点包括数据采集单元、第一数据处理单元、第一数据存储单元、第一数据传输单元和第一电源单元；所述数据采集单元采用嵌入式油液分析传感器，监测发动机舱内润滑油管路的润滑油及起落架、襟副翼和尾翼的液压油管路的液压油情况，输出模拟电压信号，送入所述第一数据处理单元的a/d转换通道；所述第一数据处理单元对所述数据采集单元采集的数据进行处理，输出分别连接所述第一数据存储单元和所述第一数据传输单元；所述第一数据存储单元对采集的数据进行存储；所述第一数据处理单元将采集的数据通过所述第一数据传输单元发送给所述簇头节点；所述第一电源单元给所述传感器节点的其它单元提供工作电压；

所述簇头节点包括第二数据传输单元、第二数据处理单元、第二数据存储单元和第二电源单元；所述第二数据处理单元通过所述第二数据传输单元将所述传感器节点采集的数据进行收集处理，存储于所述第二数据存储单元中；所述第二数据处理单元将收集的数据通过所述第二数据传输单元发送给所述终端节点；所述第二电源单元给所述簇头节点的其它单元提供工作电压；

所述终端节点包括第三数据传输单元、第三数据处理单元、第三数据存储单元、显示单元、usb通信单元和第三电源单元；所述第三数据处理单元通过所述第三数据传输单元向所述簇头节点发送数据传送指令并接收所述簇头节点发送的数据；所述第三数据处理单元对接收的数据进行处理分析，输出分别连接所述第三数据存储单元、所述显示单元和所述usb通信单元；所述第三数据存储单元对接收的数据进行存储；所述显示单元对异常数据进行实时显示；所述第三数据处理单元通过所述usb通信单元将接收的数据上传给所述上位机；所述第三电源单元给所述终端节点的其它单元提供工作电压。

进一步的，所述第一数据处理单元和所述第二数据处理单元均选用8位avr单片机atmega128l，所述第三数据处理单元选用高效16/32位arm7tdmi-s微控制器lpc2220。

进一步的，所述第一数据存储单元、所述第二数据存储单元和所述第三数据存储单元具有相同的电路结构，包括存储器、第一电容、第一和第二电阻，其中所述存储器选用2k位串行cmoseepromat24c02。

进一步的，所述第一数据传输单元、所述第二数据传输单元和所述第三数据传输单元具有相同的电路结构，包括射频收发器、射频天线、石英晶振、第一～第三电感、第二～第八电容和第三电阻，其中所述射频收发器选用2.4ghz标准射频收发器cc2420。

进一步的，所述显示单元包括液晶显示屏、第一和第二发光二极管、电位器、第四和第五电阻，其中所述液晶显示屏选用lcd1602，所述第一发光二极管为红光二极管，所述第二发光二极管为绿光二极管。

进一步的，所述usb通信单元选用专用usb接口芯片isp1581。

进一步的，所述第一电源单元和第三电源单元均采用锂电池，所述第二电源单元采用机载电源。

(三)有益效果

本发明提供了一种飞机油液无线监测系统，利用嵌入式油液分析传感器和zigbee无线通信技术相结合，可以实现飞机油液的在线实时监控，并能够通过无线通信的方式将数据传送出来，通过终端节点传送给上位机进行详细的油液数据分析以得到结果，实现了飞机油液的远程监测，省去了反复放油以及油液运输的工作量，节省了时间，又可以消除在放油和油液运送过程中引入污染的可能，其系统结构简单，体积小巧，成本低廉，功耗极低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的可扩展性，满足了油液监测系统智能化、灵巧化的要求。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种飞机油液无线监测系统的结构框图。

图2为本发明所涉及的一种飞机油液无线监测系统的数据存储单元电路原理图。

图3为本发明所涉及的一种飞机油液无线监测系统的数据传输单元电路原理图。

图4为本发明所涉及的一种飞机油液无线监测系统的显示单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种飞机油液无线监测系统，包括传感器节点、簇头节点和终端节点；若干个传感器节点分别安装于飞机的发动机、起落架、襟副翼、尾翼等重要部位的油路上，以监测飞机的液压油和润滑油情况；若干个传感器节点构成星型网络簇，簇头节点位于星型网络簇的中心位置；终端节点为手持式设备，为检测人员随身携带；传感器节点与簇头节点通过zigbee网络无线连接，簇头节点与终端节点通过zigbee网络无线连接，终端节点通过usb接口与上位机相连接；

传感器节点包括数据采集单元、第一数据处理单元、第一数据存储单元、第一数据传输单元和第一电源单元；数据采集单元采用嵌入式油液分析传感器，监测发动机舱内润滑油管路的润滑油及起落架、襟副翼和尾翼的液压油管路的液压油情况，输出模拟电压信号，送入第一数据处理单元的a/d转换通道；第一数据处理单元对数据采集单元采集的数据进行处理，输出分别连接第一数据存储单元和第一数据传输单元；第一数据存储单元对采集的数据进行存储；第一数据处理单元将采集的数据通过第一数据传输单元发送给簇头节点；第一电源单元给传感器节点的其它单元提供工作电压；

簇头节点包括第二数据传输单元、第二数据处理单元、第二数据存储单元和第二电源单元；第二数据处理单元通过第二数据传输单元将传感器节点采集的数据进行收集处理，存储于第二数据存储单元中；第二数据处理单元将收集的数据通过第二数据传输单元发送给端节点；第二电源单元给簇头节点的其它单元提供工作电压；

终端节点包括第三数据传输单元、第三数据处理单元、第三数据存储单元、显示单元、usb通信单元和第三电源单元；第三数据处理单元通过第三数据传输单元向簇头节点发送数据传送指令并接收簇头节点发送的数据；第三数据处理单元对接收的数据进行处理分析，输出分别连接第三数据存储单元、显示单元和usb通信单元；第三数据存储单元对接收的数据进行存储；显示单元对异常数据进行实时显示；第三数据处理单元通过usb通信单元将接收的数据上传给上位机；第三电源单元给终端节点的其它单元提供工作电压。

数据采集单元采用嵌入式油液分析传感器，用来在线采集油液信息。油液分析的方法有很多种，与此相对应，嵌入式油液分析传感器也具有多种形式，它们采用不同的技术确定油液状态。为了得到全面的飞机油液信息，可以选用多种嵌入式油液分析传感器安装在油路的不同部位。

第一数据处理单元是传感器节点的核心，设备的控制、数据采集和处理、通信协议和数据收发等都在第一数据处理单元的支持下完成。选择高性能、低功耗的8位avr单片机atmega128l，该芯片硬件资源丰富，具有功耗低、功能多、价格便宜和性能强大等优点。atmega128l自身带有128k字节flash存储器，程序可直接通过编程器下载到片内flash中，同时再带4k字节的eeprom存储器。atmega128内部的adc具有8个通道，每通道的分辨率为10bit，输入电压范围为0～5v，能够满足监测数据巡回采集的需要，同时也无需另加ad转换器件，简化了外围电路设计，降低了成本。

传感器节点采集油液数据后要进行存储，待簇头节点提出数据传输请求后才将数据发送出去，因此存储的数据量较大，需要外接存储器。如图2所示，第一数据存储单元包括存储器u1、电容c1、电阻r1和r2，其中存储器u1选用2k位串行cmoseepromat24c02。at24c02具有2kb存储空间，可以在无电源状态下长期可靠存储系统内重要数据。采用eeprom总线结构，atmega128l以模拟i2c方式与其进行数据通讯。

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。

第一数据传输单元主要用来实现与簇头节点之间的zigbee通信，如图3所示，第一数据传输单元包括射频收发器u2、射频天线e1、石英晶振x1、电感l1～l3、电容c2～c8和电阻r3，其中射频收发器u2选用2.4ghz标准射频收发器cc2420。射频能量消耗是传感器节点能量消耗的主要方面，因此选择一款低功耗、高性能的射频芯片对延长传感器节点寿命至关重要。cc2420是chipconas公司推出的首款符合2.4ghz、ieee802.15.4标准的射频收发器，只需极少的外部元器件，性能稳定且功耗极低。支持数据传输率最高可达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。cc2420为信息包处理提供广泛的硬件支持，数据缓冲器、发射数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指示和信息包实时资料等，这些特点减少了atmega128l的工作量，使cc2420可与低成本atmega128l相接。cc2420与atmega128l的连接非常方便，通过8条i/o线就可以实现对cc2420的控制，简化了传感器节点的硬件设计。

传感器节点安装在飞机的润滑油和液压油油路上，由于飞机的润滑油及液压油管路大都安装在飞机机体内部，尤其是润滑油管路位于发动机舱内部，温度很高，工作环境非常差，所以第一电源单元采用锂电池来给传感器节点供电，以避免接入导线供电造成线路不易检查，容易出故障的缺点。

为了使各传感器节点的能量消耗尽可能达到均衡，簇头节点安装在传感器节点组成的星型网络簇的中心位置，同时考虑安装的方便，将簇头节点安装在飞机的机背上。簇头节点将传感器节点传来的数据进行融合，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。

簇头节点的硬件设计于传感器节点的硬件设计基本上一致，但是考虑到簇头节点需要与飞机上的所有传感器节点进行通信，还要进行数据存储和处理，消耗的能量比较多，如果采用锂电池供电很难持续较长时间，所以第二电源单元选择用机载电源给簇头节点供电，利用电压转换将飞机电源电压转换到适合簇头节点工作的电压。簇头节点不外接传感器，仅用来进行数据通信和处理，综合考虑数据处理和成本的要求，第二数据处理单元也选用avr单片机atmega128l。同时第二数据传输单元也选用cc2420芯片。簇头节点要存储和处理整架飞机的油液数据，需要存储的数据较大，也需要外接存储器，第二数据存储单元也选用at24c02。

终端节点为手持式的数据采集器，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。终端节点主要接收簇头节点发送的数据，还要具有一定的数据分析能力，能够在现场对油液进行简单的分析，同时还要有比较大的存储空间，用来存储各架飞机的油液数据，以利于上传到上位机，所以其处理能力、存储能力和通信能力相对要比较强。

终端节点是监测系统中的特殊节点，基于大量内存、外存、高吞吐率和处理能力的需求，第三数据处理单元选择高效16/32位arm7tdmi-s微控制器lpc2220。lpc2220支持实时仿真和嵌入跟踪，可确保任务短时间快速执行。具有极低的功耗、多个32位定时器、8路10位adc、pwm输出、64kb的ram以及多达9个外部中断管脚，通过配置总线，最多可提供76个gpio。第三数据传输单元同样选用cc2420芯片，lpc2220对cc2420的控制同avr单片机atmega128l相似，也是通过8条i/o线实现对cc2420的控制，相对比较简单。终端节点需要比较大的存储空间，用来存储各架飞机的油液数据，以利于上传到上位机，因此也需要外接存储器，第三数据存储单元同样选用at24c02。显示单元对接收的异常数据进行实时显示，如图4所示，显示单元包括液晶显示屏u3、发光二极管led1和led2、电位器rw1、电阻r4和r5，其中液晶显示屏u3选用lcd1602，发光二极管led1为红光二极管，发光二极管led2为绿光二极管。调节电位器rw1可改变lcd1602的显示亮度。发光二极管led1和led2作为无线数据传输的指示灯，当红光二极管led1点亮时，表示数据接收失败；当绿光二极管led2点亮时，表示数据已成功接收。终端节点将数据收集好之后，再通过usb通信单元将数据上传到上位机，usb通信单元选用专用usb接口芯片isp1581，isp1581是一种价格低、功能强、不带微处理器的专用usb接口芯片，符合usb2.0规范，并为基于单片机的系统提供了高速usb通信能力。ips1581具有7个in端点，7个out端点和1个固定的控制in/out端点，内部集成了带pll的12mhz晶体振荡器，可通过内部上电复位、低电压复位电路和软件复位。isp1581有两种工作模式：通用处理器工作模式和断开总线工作模式，本装置通过设置bus_conf＝0实现断开总线的工作模式。ad[7:0]为8位的多路复用地址/数据，与atmega128l的pc口连接；data[15:0]为16位数据总线。mode0脚接高电平，表示读或写工作；ale脚实现地址锁存；rpu脚为usbd+脚的外部上拉电阻连接端，通过一个1.5kω电阻与电源相连；rref脚连接外部偏置电阻，通过一个12kω电阻同地端相连，使高速收发器得到一个精确的镜电源。为了实现良好的emc特性，isp1581所有的电源脚均连接由两个0.1uf电容并联的滤波网络。上位机可以利用专门的油液分析专家系统对油液进行进一步的分析，也可以通过因特网连接到大型油液分析实验室对油液实施远程监测。终端节点的第三电源单元也采用锂电池进行供电。

为了节省传感器节点的能量，第一数据传输单元平时处于休眠状态，只有在油液发生突变或终端节点要求传送数据时才打开。综合节能的要求和油液监测的特点，传感器节点由atmega128l内部时钟定时，每隔一定时间采集一次数据，并将其与前一时刻采集到的数据进行比较，如果差别不大，就将新的数据存入外部存储器at24c02，覆盖掉旧的数据。如果数据发生了突变，就打开cc2420进行传送。在需要对所有飞机的油液进行分析时，由终端节点发布命令，将所有传感器节点的cc2420打开，传感器节点将存储的数据发送给簇头节点，再由簇头节点将数据发送给终端节点。终端节点可以选择对机场上所有的飞机油液信息进行采集，也可以对任何一架飞机进行单独采集。

本发明提供了一种飞机油液无线监测系统，利用嵌入式油液分析传感器和zigbee无线通信技术相结合，可以实现飞机油液的在线实时监控，并能够通过无线通信的方式将数据传送出来，通过终端节点传送给上位机进行详细的油液数据分析以得到结果，实现了飞机油液的远程监测，省去了反复放油以及油液运输的工作量，节省了时间，又可以消除在放油和油液运送过程中引入污染的可能，其系统结构简单，体积小巧，成本低廉，功耗极低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的可扩展性，满足了油液监测系统智能化、灵巧化的要求。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。