基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊禹成，盧洪義，桑豆豆，劉 舜，章 斌

（南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

0 引 言

航空發(fā)動機(jī)長期工作在高溫、高壓、高速、強(qiáng)振動等異常惡劣的環(huán)境下，不可避免地會導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)零部件結(jié)構(gòu)和性能退化，進(jìn)而引發(fā)發(fā)動機(jī)機(jī)械故障[1-2]，由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的故障在所有飛機(jī)機(jī)械故障中的比例高達(dá)1/3[3]。據(jù) NASA 的統(tǒng)計(jì)資料表明：全世界的航空公司每年要花費(fèi)310 億美元左右用于發(fā)動機(jī)維修，其中31%為日常維護(hù)，27%用于對飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的翻修[4-5]。發(fā)動機(jī)監(jiān)測技術(shù)是通過檢測發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)中的異常行為，以及使用預(yù)測方法預(yù)測其在未來飛行中的行為，可以更好地評估航空發(fā)動機(jī)的健康性能，參數(shù)監(jiān)測還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，有效地避免故障發(fā)生，降低維護(hù)成本，因此對發(fā)動機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測具有十分重要的意義。但是，隨著航空發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)需要測量的參數(shù)種類和數(shù)量不斷增加，當(dāng)前基于有線連接的系統(tǒng)非常復(fù)雜、笨重，并且容易因磨損而損壞和退化[6-7]。在飛機(jī)試車或者試驗(yàn)階段，能實(shí)時(shí)觀察到參數(shù)變化的只有少數(shù)在場人員。

國內(nèi)外已經(jīng)開展了無線網(wǎng)絡(luò)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的研究，美國航天局（NASA）在無線無源傳感器技術(shù)（PWST）研討會計(jì)劃中針對當(dāng)時(shí)的研究狀況進(jìn)行了分析總結(jié)[8]：較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠使整個(gè)飛行器的生命周期受益。文獻(xiàn)[9-10]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)，有助于關(guān)鍵條件下做出更好的決策，并保留記錄以供進(jìn)一步分析，但并非實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。國內(nèi)學(xué)者針對航空航天飛行器測控系統(tǒng)的傳感器種類和數(shù)量不斷增加，提出了采用基于無線網(wǎng)絡(luò)的飛行器測量控制方案，并對方案的潛在優(yōu)勢、研究可行性和必要性進(jìn)行了分析[11-12]，但大多數(shù)停留在理論分析階段，在具體工程應(yīng)用上的研究較少。

文中通過分析現(xiàn)階段無線通信技術(shù)特性，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種航空發(fā)動機(jī)參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效地降低飛機(jī)發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)布線復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。還可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)绞謾C(jī)APP 上，相關(guān)人員無須在試車現(xiàn)場就能看到航空發(fā)動機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由傳感器、信號調(diào)理模塊、微處理器、無線傳輸模塊和手機(jī)APP 組成，圖1為系統(tǒng)的總體框架。該系統(tǒng)的微處理器為STM32F103，該芯片一般帶有三個(gè)ADC，且每個(gè)ADC 多達(dá)18 個(gè)復(fù)用通道；無線傳輸模塊選擇ESP8266，此芯片性能穩(wěn)定、功耗低、價(jià)格便宜。

圖1 系統(tǒng)總體框架

傳感器采集的參數(shù)經(jīng)過信號調(diào)理模塊放大、濾波之后，經(jīng)微處理器STM21F103 進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換、計(jì)算和采集，在上位機(jī)軟件上顯示出來，同時(shí)通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)智云平臺服務(wù)器，手機(jī)APP 用于實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)。

2 無線通信技術(shù)特性

2.1 無線通信技術(shù)特性分析

對目前三種主流的無線通信技術(shù)和一種自供能的無線通信技術(shù)特性進(jìn)行分析比較，見表1所列。

表1 無線通信技術(shù)特性

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)而建立的一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，通常傳輸距離是10～100 m，在低耗電待機(jī)模式下2 節(jié)5 號干電池可支持1 個(gè)終端工作6～24 個(gè)月[13]。ZigBee 協(xié)議免費(fèi)，芯片價(jià)格便宜，但傳輸速率低，通常只有20～250 Kb/s。

藍(lán)牙是一種點(diǎn)對多點(diǎn)、低成本、短距離無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[14]，其數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)1 MHz，通信介質(zhì)為頻率在2.402～2.480 GHz 之間的電磁波。目前存在的主要問題是連接復(fù)雜、安全性低、抗干擾能力較弱。

EnOcean 是一種超低功耗的短距離無線通信技術(shù)，它可以采集周圍的能量變成微弱的電能來供給自身通信。EnOcean 抗干擾能力極強(qiáng)，在室內(nèi)的覆蓋范圍為30 m，但傳輸速率極低。

無線寬帶（WiFi）是一種基于802.11 協(xié)議的無線局域網(wǎng)接入技術(shù)，WiFi 技術(shù)的突出優(yōu)勢在于它有較廣的局域網(wǎng)覆蓋范圍，覆蓋半徑可達(dá)100 m 左右[15]。相比于其他的無線通信技術(shù)，WiFi技術(shù)覆蓋范圍廣，其傳輸速度最高可到達(dá)54 Mb/s，適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)，目前芯片開發(fā)的成熟度高。

在綜合比較了以上四種無線通信技術(shù)的傳輸速率、覆蓋范圍、相互干擾概率等相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)WiFi 技術(shù)覆蓋范圍廣、傳輸速率高、芯片開發(fā)成熟度高，因此選擇WiFi 技術(shù)作為該系統(tǒng)的通信手段。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為解決無線通信模塊ESP8266 的配置問題，更直觀地觀察發(fā)動機(jī)參數(shù)變化，文中基于Visual Studio2017 用C#語言設(shè)計(jì)了一個(gè)上位機(jī)軟件，該軟件可以自動檢測出端口號，可用于WiFi 模塊AT 指令操作和進(jìn)行波形顯示，此外還設(shè)計(jì)了快捷鍵按鈕，例如“Shift+O”打開串口、“Shift+C”關(guān)閉串口等。圖2為上位機(jī)軟件的界面，里面包含了ESP8266 芯片AT 指令的操作示意。

圖2 上位機(jī)軟件

3 遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)硬件電路圖設(shè)計(jì)

硬件電路圖由兩個(gè)航空發(fā)動機(jī)模擬信號的調(diào)理電路和系統(tǒng)電路組成。

圖3為兩個(gè)航空發(fā)動機(jī)模擬信號的調(diào)理電路，主要用于實(shí)現(xiàn)對模擬信號放大和濾波等功能。模擬信號1 為PT100 溫度測量信號，為減少導(dǎo)線本身的電阻會影響測量結(jié)果準(zhǔn)確度，電路采用三線制平衡電橋的設(shè)計(jì)。放大器為OP07，該芯片是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性（雙電源供電）運(yùn)算放大器集成電路，同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)。模擬信號2 的放大芯片為LM358，使用單電源工作模式，輸出端口外接一個(gè)穩(wěn)壓二極管BZX84C5 用于保持電壓的穩(wěn)定性。

圖3 調(diào)理電路

圖4為系統(tǒng)電路，主要由無線通信模塊ESP8266、微處理器STM32F103、電源模塊、蜂鳴器、指示燈、繼電器組成。無線傳輸模塊ESP8266 與微處理器STM32F103 通過串口連接；單片機(jī)通過引腳輸出來控制繼電器的閉合與斷開，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電；指示燈用于提示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)監(jiān)測的參數(shù)數(shù)值超過設(shè)定的最高值，蜂鳴器報(bào)警以起到警示作用。

圖4 系統(tǒng)電路

4 航空發(fā)動機(jī)無線遠(yuǎn)程參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于航空發(fā)動機(jī)測量參數(shù)多，溫度測試對于航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與研制有極其重要的意義，因此這里只選擇溫度測量來分析測試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測試性能。

4.1 溫度測量系統(tǒng)動態(tài)特性分析

對于線性系統(tǒng)，其動態(tài)特性的輸入和輸出方程為：

令s=jw，頻率響應(yīng)函數(shù)為：

一階系統(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯變化得：

靜態(tài)靈敏度K=b0/a0，對靈敏度進(jìn)行歸一化處理，令其等于1，τ=a1/a0，則傳遞函數(shù)為：

τ值反映系統(tǒng)響應(yīng)速度的快慢，值越小則系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快。本系統(tǒng)以一階系統(tǒng)為例，求出鉑熱電阻的時(shí)間常數(shù)和遠(yuǎn)程傳輸速率來驗(yàn)證遠(yuǎn)程傳輸速率是否足夠快。鉑熱電阻和溫度T成一定的函數(shù)關(guān)系：

其中：RT表示溫度為T時(shí)的電阻值，R0為0 ℃時(shí)的電阻值；標(biāo)準(zhǔn)的DINIEC7系數(shù)為：A=3.908 3×10-3℃、B=-5.775×10-7℃、C=-4.138 3×10-12℃。按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，Pt100 在 0～650 ℃時(shí)RT可以表示為：

由圖3調(diào)理電路圖可以清晰地看到平衡電橋，電橋輸出電壓值為：

其中：VR2是電阻R2兩端的電壓；VR1是電阻R1兩端的電壓。放大器放大倍數(shù)為K倍，則V=KΔV，由式（6）和式（7）求出鉑熱電阻t的傳遞函數(shù)為：

在整個(gè)動態(tài)過程中，鉑熱電阻的變化達(dá)到整個(gè)動態(tài)過程變化的0.632 時(shí)，就是該系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)τ，鉑熱電阻的響應(yīng)時(shí)間小于1.5 s。如果需要測量更高的溫度，或者更快響應(yīng)速率的傳感器，可以使用藍(lán)寶石光纖瞬態(tài)高溫傳感器，該傳感器測量溫度可達(dá)2 000 ℃，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為0.12 s[16]。

4.2 無線遠(yuǎn)程傳輸速率分析

在航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，能否實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，無線遠(yuǎn)程傳輸速率是關(guān)鍵，為此需要對該系統(tǒng)傳輸速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

模擬量通過調(diào)理電路濾波和放大所需要的時(shí)間是以ns為單位的，可以忽略不計(jì)。

ADC 轉(zhuǎn)換速率分析：無線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中STM32F103自帶12 位ADC，ADC 的頻率一般不能超過14 MHz，因此需要對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行6 分頻，則ADC 的工作頻率為：72 MHz/6=12 MHz，采樣周期數(shù)取最小為：12.5+1.5=14，因此總時(shí)間為：

也就是說ADC 轉(zhuǎn)換一次需要耗時(shí)1.17 μs。

數(shù)字信號傳輸速率分析：在該系統(tǒng)中ESP8266 和單片機(jī)是通過串口連接的，波特率設(shè)置為115 200 b/s，每一次溫度變化的數(shù)值都需要占用2 字節(jié)。按照8 位無校驗(yàn)，1 位停止位外加1 位起始位，每秒可以輸出11 520 個(gè)字節(jié)，輸出兩個(gè)字節(jié)大概需要174 μs。

服務(wù)器響應(yīng)速率分析：機(jī)智云平臺的全球服務(wù)器在國內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度大概在20 000～40 000 μs范圍內(nèi)，在其他國家也均小于70 000 μs。在國內(nèi)傳輸，本文取最小值20 000 μs進(jìn)行分析。因此，發(fā)動機(jī)參數(shù)從傳感器到手機(jī)APP 所需要的最短時(shí)間為：調(diào)理電路所需時(shí)間+AD 轉(zhuǎn)換的時(shí)間+數(shù)字信號傳輸時(shí)間+服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的時(shí)間，約為：

如果將監(jiān)測范圍縮小，則用局域網(wǎng)的傳輸速率將更快。

遠(yuǎn)程傳輸時(shí)間最快為20 000 μs，遠(yuǎn)小于傳感器自身的響應(yīng)時(shí)間，想提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，只需匹配響應(yīng)速率更快的傳感器即可。此外可以根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)變化速率特性，通過軟件編程合理地調(diào)整遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的速率，達(dá)到更精準(zhǔn)地遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)的效果。

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以溫度和電壓參數(shù)變化來模擬實(shí)際航空發(fā)動機(jī)參數(shù)變化。對于溫度信號則采用鉑電阻實(shí)際測量壓氣機(jī)溫度的方法進(jìn)行無線遠(yuǎn)程測試實(shí)驗(yàn)研究，航空發(fā)動機(jī)其他參數(shù)則采用改變電壓信號來模擬參數(shù)變化，如圖5、圖6、圖7分別是遠(yuǎn)程傳輸測試實(shí)驗(yàn)圖、手機(jī)APP 實(shí)時(shí)收到航空發(fā)動機(jī)模擬參數(shù)數(shù)據(jù)和變化曲線界面、發(fā)動機(jī)模擬參數(shù)測量變化曲線。

圖5 遠(yuǎn)程傳輸測試實(shí)驗(yàn)

圖6 手機(jī)APP 界面

圖7 發(fā)動機(jī)模擬參數(shù)變化曲線

5 結(jié) 語

文中通過分析現(xiàn)階段無線通信技術(shù)特性，采用WiFi 技術(shù)作為遠(yuǎn)程通信技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了一種航空發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性和遠(yuǎn)程傳輸速率進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉑熱電阻，藍(lán)寶石光纖瞬態(tài)高溫傳感器自身的響應(yīng)時(shí)間、遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間僅與發(fā)動機(jī)參數(shù)變化和傳感器動態(tài)響應(yīng)特性間的匹配關(guān)系有關(guān)，論證了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的可行性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，手機(jī)APP 可實(shí)時(shí)接收多個(gè)模擬量參數(shù)的變化，沒有物理距離的限制。

遠(yuǎn)程傳輸速率的快慢主要與物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的時(shí)間速率有關(guān)，隨著無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的時(shí)間只會越來越快，即遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾试絹碓娇臁?/p>

注：本文通訊作者為盧洪義。