4 1 傳感器節點的硬件設計

　　傳感器節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部，尤其是潤滑油管路位于發動機艙內部，溫度很高，工作環境非常差，所以我們采用電池來給傳感器節點供電，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。傳感器節點的硬件設計框圖如圖4 所示。

　　分為數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元以及電源管理模塊4 個部分。

　　其中數據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，， 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，將它們采集到的數據發送到簇頭節點，再由簇頭節點進行數據融合，初步得到飛機的油液狀態。

　　數據處理單元主要由微處理器和存儲器組成，微處理器模塊是網絡節點硬件設計的核心，所有的設備控制、數據采集和處理、通信協議和數據收發等都將在該模塊的支持下完成，所以微處理器的選擇在網絡節點的設計中至關重要，根據項目本身的需求，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。由于傳感器節點采集油液數據后要進行存儲，待簇頭節點提出數據傳輸請求后才將數據發送出去，存儲的數據量較大，所以需要外接存儲器。

　　數據傳輸單元主要用來實現與簇頭節點間的通信，通信的圖6 系統軟件設計框圖能量消耗是節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 標準的射頻收發器，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率最高可達250kbps， 可以實現多點對多點的快速組網。CC2420 為信息包處理提供廣泛的硬件支持，數據緩沖器、發射、數據加密、數據證明、空閑信道*估、鏈路質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條線就可以實現對CC2420 的控制，簡化了節點的硬件設計。

　　4.2 簇頭節點的硬件設計

　　簇頭節點的硬件設計與傳感器節點的硬件設計基本上是一致的，但是考慮到簇頭節點需要與飛機上的所有傳感器節點進行通信，還要進行數據存儲和處理，消耗的能量比較多，如果采用電池供電很難持續較長時間，所以選擇用飛機上的電源給簇頭節點供電，利用電壓轉換模塊將飛機電源電壓轉換到適合簇頭節點工作的電壓。簇頭節點不外接傳感器，僅用來進行數據通信和處理，綜合考慮數據處理和成本的要求，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； 簇頭節點要存儲和處理整架飛機的油液數據，需要存儲的數據較大，需要外接存儲器。

　　4.3 sink節點的硬件設計

　　sink 節點主要用來接收各簇頭發送的數據，還要具有一定的數據分析能力，能夠在現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據，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 節點的硬件設計框圖如圖5 所示

　　sink 節點是監測系統中的特殊節點，基于大量內存、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 條線實現對CC2420 的控制，相對比較簡單。

　　5 系統的軟件設計

　　系統的軟件設計框圖如圖6 所示。

　　為了節省傳感器節點的能量，節點的無線通信模塊平時處于休眠狀態，只有在油液發生突變或sink節點要求傳送數據時才打開。綜合節能的要求和油液監測的特點，傳感器節點由處理器內部時鐘定時，每隔十分鐘采集一次數據，并將其與前一時刻采集到的數據進行比較，如果差別不大，就將新的數據存入外部存儲器，覆蓋掉舊的數據。如果數據發生了突變，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節點發布命令，將所有的節點的無線通信模塊打開，傳感器節點將存儲的數據發給簇頭節點，再由簇頭節點將數據發送給sink 節點。sink節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 結束語

　　國外的大量實踐證明，實施油液在線監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，及時發現突發性故障和對機器狀態進行趨勢分析。本設計利用嵌入式油液分析傳感器和Zigbee無線通信技術相結合，構建了飛機無線嵌入式實時油液監測系統，充分發揮了Zigbee無線通信技術在油液監測方面的優越性，可以實現飛機油液的在線實時監控，并能夠通過無線通信的方式將數據傳送出來，通過sink 節點傳送給PC 機，而PC 機可以通過Inter net 與大型油液分析實驗室聯接，實現飛機油液的遠程監測，同時也滿足了油液監測系統智能化、靈巧化的要求。在接下來的研究中，將實現并在某型飛機上驗證該監測系統，爭取早日將飛機無線嵌入式實時油液監測系統早日應用在飛機上，保障飛行安全。