4 1 傳感器節(jié)點的硬件設計

　　傳感器節(jié)點安裝在飛機的潤滑油和液壓油油路上，由于飛機的潤滑油及液壓油管路大都安裝在飛機機體內(nèi)部，尤其是潤滑油管路位于發(fā)動機艙內(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)點供電，以避免接入導線供電造成線路不易檢查，容易出故障的缺點。傳感器節(jié)點的硬件設計框圖如圖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，與此相對應，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確定油液狀態(tài)，， 為了得到全面的飛機油液信息，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，再由簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，初步得到飛機的油液狀態(tài)。

　　數(shù)據(jù)處理單元主要由微處理器和存儲器組成，微處理器模塊是網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計的核心，所有的設備控制、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)絡節(jié)點的設計中至關重要，根據(jù)項目本身的需求，選擇高性能、低功耗的8 位AVR 系列單片機ATmeg a128L 作為微處理器模塊。由于傳感器節(jié)點采集油液數(shù)據(jù)后要進行存儲，待簇頭節(jié)點提出數(shù)據(jù)傳輸請求后才將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，存儲的數(shù)據(jù)量較大，所以需要外接存儲器。

　　數(shù)據(jù)傳輸單元主要用來實現(xiàn)與簇頭節(jié)點間的通信，通信的圖6 系統(tǒng)軟件設計框圖能量消耗是節(jié)點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延長節(jié)點壽命至關重要。本設計選擇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 標準的射頻收發(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)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率最高可達250kbps， 可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(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)量指示和信息包實時資料，這些特點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條線就可以實現(xiàn)對CC2420 的控制，簡化了節(jié)點的硬件設計。

　　4.2 簇頭節(jié)點的硬件設計

　　簇頭節(jié)點的硬件設計與傳感器節(jié)點的硬件設計基本上是一致的，但是考慮到簇頭節(jié)點需要與飛機上的所有傳感器節(jié)點進行通信，還要進行數(shù)據(jù)存儲和處理，消耗的能量比較多，如果采用電池供電很難持續(xù)較長時間，所以選擇用飛機上的電源給簇頭節(jié)點供電，利用電壓轉(zhuǎn)換模塊將飛機電源電壓轉(zhuǎn)換到適合簇頭節(jié)點工作的電壓。簇頭節(jié)點不外接傳感器，僅用來進行數(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； 無線通信模塊也依然選用CC2420 芯片； 簇頭節(jié)點要存儲和處理整架飛機的油液數(shù)據(jù)，需要存儲的數(shù)據(jù)較大，需要外接存儲器。

　　4.3 sink節(jié)點的硬件設計

　　sink 節(jié)點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)場對油液進行簡單的分析，同時還要有比較大的存儲空間，用來存儲各個飛機的油液數(shù)據(jù)，以利于上傳到PC 機，所以其處理能力、存儲能力和通信能力相對要比較強，sink 節(jié)點的硬件設計框圖如圖5 所示

　　sink 節(jié)點是監(jiān)測系統(tǒng)中的特殊節(jié)點，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時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， 可確保任務短時間、快速執(zhí)行。由于LPC2220 具有極低的功耗、多個32 位定時器、8 路10 位ADC、PWM 輸出、64KB 的RAM 以及多達9 個外部中斷管腳使它非常適合于sink 節(jié)點的應用。通過配置總線，LPC2220最多可提供76 個GPIO。

　　LPC2220 對CC2420的控制同AVR 單片機相似，也是通過10 條線實現(xiàn)對CC2420 的控制，相對比較簡單。

　　5 系統(tǒng)的軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件設計框圖如圖6 所示。

　　為了節(jié)省傳感器節(jié)點的能量，節(jié)點的無線通信模塊平時處于休眠狀態(tài)，只有在油液發(fā)生突變或sink節(jié)點要求傳送數(shù)據(jù)時才打開。綜合節(jié)能的要求和油液監(jiān)測的特點，傳感器節(jié)點由處理器內(nèi)部時鐘定時，每隔十分鐘采集一次數(shù)據(jù)，并將其與前一時刻采集到的數(shù)據(jù)進行比較，如果差別不大，就將新的數(shù)據(jù)存入外部存儲器，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，進行告警。在需要對所有飛機的油液進行分析時，由sink節(jié)點發(fā)布命令，將所有的節(jié)點的無線通信模塊打開，傳感器節(jié)點將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)給簇頭節(jié)點，再由簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給sink 節(jié)點。sink節(jié)點可以選擇對機場上所有的飛機油液信息進行采集，也可以對任何一架飛機進行單獨采集。

　　6 結(jié)束語

　　國外的大量實踐證明，實施油液在線監(jiān)控不僅可以取消采樣和實驗室分析的巨額費用，還便于構成診斷和預防性維修系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障和對機器狀態(tài)進行趨勢分析。本設計利用嵌入式油液分析傳感器和Zigbee無線通信技術相結(jié)合，構建了飛機無線嵌入式實時油液監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮了Zigbee無線通信技術在油液監(jiān)測方面的優(yōu)越性，可以實現(xiàn)飛機油液的在線實時監(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)點傳送給PC 機，而PC 機可以通過Inter net 與大型油液分析實驗室聯(lián)接，實現(xiàn)飛機油液的遠程監(jiān)測，同時也滿足了油液監(jiān)測系統(tǒng)智能化、靈巧化的要求。在接下來的研究中，將實現(xiàn)并在某型飛機上驗證該監(jiān)測系統(tǒng)，爭取早日將飛機無線嵌入式實時油液監(jiān)測系統(tǒng)早日應用在飛機上，保障飛行安全。